Un anneau d’Einstein suggère que la matière noire interagit avec elle-même

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La galaxie JWST-ER1, remarquablement dense, et son anneau d'Einstein, capturés par le télescope spatial James Webb l'année dernière. Crédits : P. van Dokkum et al., Nature Astronomy, 2023

Dans le vaste cosmos, une galaxie remarquablement dense attire l’attention des astronomes. Située à plus de dix-sept milliards d’années-lumière de la Terre, JWST-ER1, découverte grâce au télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA, révèle des indices sur la nature énigmatique de la matière noire.

Qu’est-ce qu’un anneau d’Einstein ?

Lorsque la lumière provenant d’une source lointaine, comme une galaxie, passe à proximité d’une masse très dense telle qu’une autre galaxie ou un amas de galaxies, la gravité de cette masse agit comme une lentille qui déforme la trajectoire de la lumière. Ce phénomène, prédit par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, est connu sous le nom de lentille gravitationnelle.

Dans le cas particulier de JWST-ER1, cette lentille gravitationnelle a créé un effet remarquable appelé anneau d’Einstein. Un tel anneau se forme lorsque la source lumineuse, la lentille gravitante et l’observateur sont alignés de manière très précise. Les rayons lumineux se retrouvent alors déviés autour de la masse intermédiaire et finissent par se rejoindre de l’autre côté, formant ainsi un cercle de lumière.

Une galaxie plus dense qu’elle n’y paraît

En évaluant l’ampleur de la déformation de l’espace-temps causée par JWST-ER1g, les chercheurs ont alors estimé que la galaxie possède une masse d’environ 650 milliards de fois celle du Soleil, ce qui la place parmi les galaxies les plus denses pour leur taille.

En retranchant la masse provenant des étoiles visibles de cette estimation totale, les physiciens ont ensuite pu quantifier la contribution de la matière noire dans la composition de la galaxie. D’après les calculs, celle-ci pourrait approximativement combler la moitié de l’écart de masse observé, suggérant qu’une autre source de masse pourrait être nécessaire pour expliquer pleinement les résultats de la lentille gravitationnelle observée.

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Photo d’un anneau d’Einstein nommé JO418. Crédits : Spaceguy44

Plusieurs hypothèses, dont certaines en lien avec la matière noire

Les chercheurs avancent plusieurs idées pour expliquer la nature de cette masse supplémentaire. Une possibilité est qu’il y ait une population d’étoiles plus dense que ce que l’on pensait auparavant dans la galaxie JWST-ER1g. Si c’est le cas, cela pourrait contribuer à une partie de la masse manquante observée.

Un autre scénario envisagé est celui où la matière ordinaire (gaz et étoiles) se contracte et se condense dans le halo de matière noire de JWST-ER1g. Cette contraction pourrait augmenter la densité de matière dans la galaxie, contribuant ainsi à l’écart de masse observé. Cette densification pourrait se produire à différentes échelles, depuis des régions localisées de formation stellaire jusqu’à des structures galactiques plus vastes telles que les bras spiraux ou les noyaux actifs de galaxies.

Enfin, une hypothèse plus audacieuse concerne cette fois la nature même de la matière noire. Les chercheurs envisagent en effet la possibilité que celle-ci interagisse avec elle-même, créant ainsi des processus autoentretenus qui affectent sa densité et sa distribution dans la galaxie. Cette interaction pourrait alors expliquer l’écart de masse observé, ainsi que d’autres caractéristiques intrigantes de JWST-ER1g.

En combinant des observations supplémentaires avec des simulations informatiques et des modèles théoriques avancés, les chercheurs espèrent élucider l’origine de cette masse supplémentaire et comprendre en détail la dynamique complexe de JWST-ER1g. Ces investigations approfondies pourraient non seulement éclairer notre compréhension de la matière noire et de la formation des galaxies, mais aussi ouvrir de nouvelles perspectives sur la physique fondamentale de l’Univers.

Les détails de l’étude sont publiés dans The Astrophysical Journal Letters.