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Une observation de matière noire faite aux confins de l’Univers

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Crédits : Hans/Pixabay

Des chercheurs japonais ont pu étudier la nature de la matière noire entourant les galaxies telles qu’elles étaient il y a douze milliards d’années, repoussant de plusieurs milliards d’années-lumière l’observation de cette substance mystérieuse qui domine l’Univers. Leurs travaux sont publiés dans les Physical Review Letters.

Matière noire et lentille gravitationnelle

Considérons tout d’abord ces deux points. Commençons par la matière noire. Nous savons que la vitesse à laquelle une étoile doit se déplacer pour rester sur son orbite dépend de la force de gravité qui l’attire vers le centre de sa galaxie, et donc de la masse de celle-ci. Au fil du temps, on s’est aperçu que la quantité de matière visible disponible pour maintenir les étoiles de notre galaxie sur leur orbite était insuffisante. Dès lors, on a suggéré l’existence d’une forme de matière supplémentaire exotique capable d’expliquer ces mouvements. Cette substance qui n’émet, n’absorbe et ne réfléchit aucune lumière est appelée « matière noire ». On estime aujourd’hui qu’elle compose environ 26,8 % de l’Univers.

Enchaînons avec l’effet de lentille gravitationnelle. Nous savons que la gravité (et donc la masse) déforme le tissu même de l’espace-temps. Plus un objet est massif, plus la courbure du tissu de l’espace-temps est importante. Dans ces conditions, la lumière d’une galaxie en arrière-plan traversant cette zone sera inévitablement incurvée, mais aussi amplifiée. Cet effet permet donc de visualiser des galaxies lointaines qui auraient autrement été invisibles.

Revenons à notre étude. Au cours de leurs analyses visant à définir la véritable nature de la matière noire, il arrive que les chercheurs s’appuient sur le phénomène de lentille gravitationnelle. Concrètement, l’attraction gravitationnelle d’une galaxie de premier plan, y compris sa matière noire, va déformer la lumière d’une galaxie placée en arrière-plan. Plus la quantité de matière noire est importante, plus la distorsion sera importante. Ainsi, les scientifiques peuvent mesurer la quantité de matière noire autour de la galaxie de premier plan (la galaxie « lentille ») à partir de cette distorsion.

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Un effet clairement visible de lentille gravitationnelle. Crédits : Wikimedia Commons/ESA/Hubble & NASA

La rémanence du Big Bang

Au-delà d’un certain point, les galaxies deviennent incroyablement faibles. Par conséquent, plus on remonte le temps, moins la technique est efficace. Incapables de détecter suffisamment de galaxies sources distantes pour mesurer la distorsion de leur lumière, la plupart des études précédentes n’ont pu analyser que de la matière noire datant d’il y a huit à dix milliards d’années maximum. Ces limitations ont donc laissé ouverte la question de la répartition de la matière noire entre cette époque et le Big Bang opéré il y a environ 13,7 milliards d’années.

Pour surmonter ces défis, une équipe dirigée par Hironao Miyatake, de l’Université de Nagoya, s’est appuyée sur une source différente : les micro-ondes du fond diffus cosmologique (CMB), le résidu de rayonnement du Big Bang. Rappelons que selon le modèle standard de la cosmologie, ce rayonnement a été émis environ 380 000 ans après le Big Bang, alors que l’Univers observable était encore beaucoup plus petit, dense et chaud qu’aujourd’hui.

Pour ce travail, les chercheurs ont d’abord utilisé les données des observations de la Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC) pour identifier 1,5 million de « galaxies lentilles » vues tel qu’elles étaient il y a douze milliards d’années, soit 1,7 milliard d’années seulement après le début de l’Univers. Au moyen du satellite Planck, de l’Agence spatiale européenne (ESA), l’équipe a ensuite mesuré comment la matière noire autour de ces galaxies déformait ces fameuses micro-ondes.

C’est la première fois que cette substance mystérieuse, mais ô combien importante, est détectée à une distance aussi lointaine.

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Illustration d’artiste du Big Bang. Crédits : ESA

Un modèle à affiner ?

L’une des découvertes les plus intéressantes de cette étude est liée à l’agglutination de cette matière. Selon la théorie standard de la cosmologie, le modèle Lambda-CDM, de subtiles fluctuations dans le fond diffus cosmologique forment des bassins de matière dense en attirant la matière environnante par gravité. Cela a pour effet de créer des amas inhomogènes qui forment des étoiles et des galaxies dans ces régions denses. Les résultats du groupe suggèrent que leur mesure d’agglutination était inférieure à celle prédite par le modèle Lambda-CDM.

Si la découverte se confirme, cela suggérerait que l’ensemble du modèle pourrait être défectueux à mesure que vous remontez dans le temps. Un modèle plus affiné pourrait alors donner aux astronomes un meilleur aperçu de la nature même de la matière noire.

Notez que ces travaux ne sont pas terminés. Les chercheurs n’ont en effet examiné qu’un tiers des données de l’enquête Subaru Hyper Suprime-Cam. La prochaine étape consistera à analyser l’ensemble des données, de quoi potentiellement fournir une mesure plus précise de la distribution de la matière noire.