Une nouvelle étude sur la lentille gravitationnelle fait allusion à des problèmes pour les modèles de matière noire

Alors que l’idée de matière noire a été initialement proposée pour expliquer la structure des galaxies, l’un de ses grands succès a été d’expliquer la nature de l’Univers lui-même. Les caractéristiques du fond cosmique des micro-ondes peuvent être expliquées par la présence de matière noire. Et les modèles du début de l’Univers produisent des galaxies et des amas de galaxies en s’appuyant sur des structures formées par la matière noire. Le fait que ces modèles aient une vue d’ensemble si juste a été un argument de poids en leur faveur.

Mais une nouvelle étude suggère que les mêmes modèles se trompent dans les détails – de tout un ordre de grandeur. Les personnes à l’origine de l’étude suggèrent que soit quelque chose ne va pas avec les modèles, soit que notre compréhension de la matière noire peut nécessiter un ajustement.

Sous une lentille

La nouvelle étude, réalisée par une équipe internationale de chercheurs, a profité d’un phénomène appelé lentille gravitationnelle. La gravité déforme l’espace lui-même, et elle peut le faire d’une manière qui plie la lumière, comme une lentille. Si un objet massif – disons, une galaxie – se trouve entre nous et un objet distant, il peut créer une lentille gravitationnelle qui grossit ou déforme l’objet distant. Selon les détails précis de la disposition des objets, les résultats peuvent être n’importe quoi, d’un simple grossissement à des anneaux circulaires ou à l’apparition de l’objet plusieurs fois.

Parce que les effets de la matière noire sont détectables par gravité, nous pouvons “voir” la présence de matière noire via ses effets de lentille gravitationnelle. Dans quelques cas, nous avons même détecté des lentilles où peu de matière est présente. C’est l’une des nombreuses preuves en faveur de la matière noire.

Les chercheurs ont utilisé la lentille gravitationnelle pour mettre en place un test qui, au moins conceptuellement, était très simple. Nous avons construit des modèles de l’Univers primitif qui indiquent comment la matière noire a aidé à structurer les premières galaxies et les a attirées en amas de galaxies. Ces modèles, lorsqu’ils sont avancés, fournissent une description de ce à quoi cette distribution de matière noire devrait ressembler à différents moments de l’histoire de l’Univers jusqu’à présent. Les chercheurs ont donc décidé d’utiliser la lentille gravitationnelle pour déterminer si la distribution de la matière noire observée dans les modèles correspondait là où nous la voyons via la lentille gravitationnelle.

Selon ces modèles, l’Univers a été construit de manière hiérarchique. Par des interactions gravitationnelles avec elle-même, la matière noire a formé des filaments qui se croisaient dans un maillage tridimensionnel complexe. L’attraction gravitationnelle supplémentaire aux points d’intersection des filaments attirerait la matière régulière, conduisant aux premières galaxies. Au fil du temps, l’attraction continue de la gravité a rassemblé les galaxies, formant de grands amas. En examinant les résultats de ces modèles, nous pouvons avoir un aperçu de la distribution attendue de la matière noire autour des amas. Et en zoomant, nous pouvons voir comment la matière noire devrait être distribuée dans la zone des galaxies individuelles.

Cette distribution de matière noire peut être considérée comme une prédiction des modèles.

Pendant ce temps, dans l’univers réel …

Pour tester ces prédictions, les chercheurs ont utilisé des images du télescope spatial Hubble pour cartographier tous les objets dans et autour d’une grande collection d’amas de galaxies. L’imagerie de suivi à l’aide du Very Large Telescope a permis d’identifier la distance de ces objets en fonction de la quantité de lumière déplacée vers l’extrémité rouge du spectre par l’expansion de l’Univers – plus le décalage vers le rouge est important, plus l’objet est éloigné. Cela a permis aux chercheurs de déterminer quels objets doivent se trouver derrière l’amas de galaxies et donc des candidats potentiels pour la lentille gravitationnelle.

Un progiciel a ensuite utilisé les données pour créer une distribution de masse pour chaque amas de galaxies. Cela comprenait les effets globaux de lentille de l’ensemble de l’amas, ainsi que la sous-lentille entraînée par des galaxies individuelles au sein de l’amas. Les chercheurs ont trouvé un fort accord entre l’apparence des objets à lentilles et l’emplacement des galaxies individuelles, ce qui leur a permis de valider leurs calculs de distribution de masse.

Les chercheurs ont ensuite utilisé le simulateur Universe pour construire 25 clusters simulés et ont effectué une analyse similaire avec les clusters. Ils l’ont fait afin d’identifier les sites de lentilles possibles et les emplacements qui pourraient créer les plus grandes distorsions.

Les deux ne correspondaient pas. Il y avait beaucoup plus de zones générant une distorsion élevée dans la galaxie de l’Univers réel que dans le modèle. Ce serait le cas si la distribution de la matière noire était un peu plus grumeleuse que les modèles ne le prédiraient – les halos de matière noire autour des galaxies étaient plus compacts que les modèles ne le prédisent.

Ce n’est pas le premier écart du genre que nous avons vu. Les modèles de matière noire prédisent également qu’il devrait y avoir plus de galaxies satellites naines autour de la Voie lactée et qu’elles devraient être plus diffuses qu’elles ne le sont. Mais si nous devions ajuster nos modèles pour rendre ces galaxies plus diffuses, nous serions moins susceptibles de voir des structures plus compactes dans les amas de galaxies. Ainsi, plutôt que de trouver deux problèmes qui pourraient tous deux être résolus en effectuant un ajustement, les deux problèmes semblent devoir être ajustés dans des directions opposées.

Deux possibilités

Les chercheurs suggèrent qu’il y a deux explications probables à cet écart: soit nous n’apprécions pas toutes les propriétés de la matière noire, soit il manque quelque chose à nos simulations de l’évolution de l’Univers. Étant donné que les deux ont une vue d’ensemble de l’Univers en grande partie juste, cependant, le problème sera subtil et par conséquent difficile à identifier, si ces résultats obtiennent une confirmation indépendante. Une possibilité est que les problèmes semblent se situer dans le domaine des galaxies, où il y aurait beaucoup d’interactions matière-matière noire. S’il se passe quelque chose de plus compliqué là-bas, cela pourrait facilement jeter les modèles.

Pour l’instant, cependant, il est déjà probable qu’il y ait des équipes avec des données supplémentaires en main qui pourraient effectuer des analyses similaires, nous devrons donc attendre que celles-ci soient faites. Les cosmologistes théoriques, étant du genre impatient, vont sans aucun doute tester des variantes de matière noire bien avant que des analyses supplémentaires ne soient effectuées.

Science, 2020. DOI: 10.1126 / science.aax5164 (À propos des DOI).