La majeure partie de la matière dans l’univers, s’élevant à 85% en masse, ne peut pas être observée et se compose de particules non prises en compte par le modèle standard de la physique des particules (voir remarque 1). Ces particules sont connues sous le nom de matière noire et leur existence peut être déduite de leurs effets gravitationnels sur la lumière des galaxies lointaines. Trouver la particule qui compose la matière noire est un problème urgent en physique moderne, car elle domine la masse et, par conséquent, la gravité des galaxies – résoudre ce mystère peut conduire à une nouvelle physique au-delà du modèle standard.
Alors que certains modèles théoriques proposent l’existence de particules ultramassives comme candidats possibles à la matière noire, d’autres suggèrent des particules ultralégères. Une équipe d’astrophysiciens dirigée par Alfred AMRUTH, doctorant dans l’équipe du Dr Jeremy LIM du Département de physique de l’Université de Hong Kong (HKU), en collaboration avec le professeur George SMOOT, lauréat du prix Nobel de physique de l’Université de Hong Kong of Science and Technology (HKUST) et le Dr Razieh EMAMI, chercheur associé au Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian (CFA), a fourni la preuve la plus directe à ce jour que la matière noire ne constitue pas des particules ultramassives comme on le pense généralement, mais comprend plutôt des particules si légères qu’elles voyagent dans l’espace comme des ondes. Leur travail résout un problème exceptionnel en astrophysique soulevé pour la première fois il y a deux décennies : pourquoi les modèles qui adoptent des particules de matière noire ultramassives ne parviennent-ils pas à prédire correctement les positions observées et la luminosité de plusieurs images de la même galaxie créées par lentille gravitationnelle ? Les résultats de la recherche ont été récemment publiés dans Astronomie naturelle.
La matière noire n’émet, n’absorbe ni ne réfléchit la lumière, ce qui la rend difficile à observer avec les techniques astronomiques traditionnelles. Aujourd’hui, l’outil le plus puissant dont disposent les scientifiques pour étudier la matière noire est la lentille gravitationnelle, un phénomène prédit par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale. Dans cette théorie, la masse fait courber l’espace-temps, donnant l’impression que la lumière se courbe autour d’objets massifs tels que des étoiles, des galaxies ou des groupes de galaxies. En observant cette courbure de la lumière, les scientifiques peuvent déduire la présence et la distribution de la matière noire – et, comme démontré dans cette étude, la nature de la matière noire elle-même.
Lorsque l’objet de lentille de premier plan et l’objet de lentille d’arrière-plan – les deux constituant des galaxies individuelles dans l’illustration – sont étroitement alignés, plusieurs images du même objet d’arrière-plan peuvent être vues dans le ciel. Les positions et la luminosité des images à lentilles multiples dépendent de la distribution de la matière noire dans l’objet de lentille de premier plan, fournissant ainsi une sonde particulièrement puissante de la matière noire.
Une autre hypothèse sur la nature de la matière noire
Dans les années 1970, après que l’existence de la matière noire ait été fermement établie, des particules hypothétiques appelées particules massives à faible interaction (WIMP) ont été proposées comme candidats à la matière noire. On pensait que ces WIMP étaient ultramassifs – plus d’au moins dix fois plus massifs qu’un proton – et n’interagissaient avec d’autres matières que par le biais de la force nucléaire faible. Ces particules émergent des théories de la supersymétrie, développées pour combler les lacunes du modèle standard, et ont depuis été largement préconisées comme le candidat le plus probable pour la matière noire. Cependant, au cours des deux dernières décennies, en adoptant des particules ultramassives pour la matière noire, les astrophysiciens ont eu du mal à reproduire correctement les positions et la luminosité des images à lentilles multiples. Dans ces études, la densité de la matière noire est supposée diminuer doucement vers l’extérieur depuis les centres des galaxies conformément aux simulations théoriques utilisant des particules ultramassives.
Commençant également dans les années 1970, mais en contraste dramatique avec les WIMP, versions des théories qui cherchent à corriger les lacunes du modèle standard, ou celles (par exemple, la théorie des cordes) qui cherchent à unifier les quatre forces fondamentales de la nature (les trois dans le modèle standard). Model, avec la gravité), prônent l’existence de particules ultralégères. Appelées axions, ces particules hypothétiques devraient être beaucoup moins massives que même les particules les plus légères du modèle standard et constituer un candidat alternatif pour la matière noire.
Selon la théorie de la mécanique quantique, les particules ultralégères voyagent dans l’espace sous forme d’ondes, interférant les unes avec les autres en si grand nombre qu’elles créent des fluctuations aléatoires de densité. Ces fluctuations de densité aléatoires dans la matière noire donnent lieu à des plis dans l’espace-temps. Comme on pouvait s’y attendre, les différents modèles d’espace-temps autour des galaxies selon que la matière noire constitue des particules ultramassives ou ultralégères – lisses ou froissées – devraient donner lieu à des positions et à une luminosité différentes pour les images à lentilles multiples des galaxies d’arrière-plan.
Dans les travaux dirigés par Alfred AMRUTH, doctorant dans l’équipe du Dr Jeremy LIM à HKU, des astrophysiciens ont pour la première fois calculé en quoi les images à lentille gravitationnelle générées par des galaxies incorporant des particules de matière noire ultralégères diffèrent de celles incorporant des particules de matière noire ultramassives.
Leurs recherches ont montré que le niveau général de désaccord trouvé entre les positions observées et prédites ainsi que la luminosité des images à lentilles multiples générées par des modèles incorporant de la matière noire ultramassive peuvent être résolus en adoptant des modèles incorporant des particules de matière noire ultralégères. De plus, ils démontrent que les modèles incorporant des particules de matière noire ultralégères peuvent reproduire les positions et la luminosité observées des images de galaxies à lentilles multiples, une réalisation importante qui révèle la nature plissée plutôt que lisse de l’espace-temps autour des galaxies.
«La possibilité que la matière noire ne comprenne pas de particules ultramassives, comme le préconise depuis longtemps la communauté scientifique, atténue d’autres problèmes à la fois dans les expériences de laboratoire et les observations astronomiques», explique le Dr Lim. «Les expériences de laboratoire ont été singulièrement infructueuses pour trouver les WIMP, le candidat de longue date pour la matière noire. De telles expériences sont dans leur dernière ligne droite, aboutissant à l’expérience DARWIN prévue, ne laissant aux WIMP aucun endroit où se cacher s’ils ne sont pas trouvés (voir remarque 2).
Le professeur Tom BROADHURST, professeur d’Ikerbasque à l’Université du Pays basque, professeur invité à HKU et co-auteur de l’article ajoute : « Si la matière noire comprend des particules ultramassives, alors selon les simulations cosmologiques, il devrait y avoir des centaines de galaxies satellites entourant la Voie lactée. Cependant, malgré des recherches intensives, seules une cinquantaine ont été découvertes à ce jour. D’un autre côté, si la matière noire comprend plutôt des particules ultralégères, alors la théorie de la mécanique quantique prédit que les galaxies en dessous d’une certaine masse ne peuvent tout simplement pas se former en raison de l’interférence des ondes de ces particules, expliquant pourquoi nous observons un manque de petites galaxies satellites autour de la planète. Voie Lactée.’
«L’incorporation de particules ultralégères plutôt que ultramassives pour la matière noire résout simultanément plusieurs problèmes de longue date en physique des particules et en astrophysique», a déclaré Amruth Alfred. «Nous avons atteint un point où le paradigme existant de la matière noire doit être reconsidéré. Dire adieu aux particules ultramassives, qui ont longtemps été annoncées comme le candidat privilégié pour la matière noire, peut ne pas venir facilement, mais les preuves s’accumulent en faveur de la matière noire ayant des propriétés ondulatoires comme celles des particules ultralégères. Le travail de pionnier a utilisé les installations de supercalcul de HKU, sans lesquelles ce travail n’aurait pas été possible.
Le co-auteur, le professeur George SMOOT, a ajouté: «Comprendre la nature des particules qui constituent la matière noire est le premier pas vers la nouvelle physique. Ce travail ouvre la voie à de futurs tests de matière noire ondulatoire dans des situations impliquant des lentilles gravitationnelles. Le télescope spatial James Webb devrait découvrir de nombreux autres systèmes à lentille gravitationnelle, nous permettant de faire des tests encore plus précis de la nature de la matière noire.
Remarques : 1. Le modèle standard de la physique des particules est la théorie décrivant trois des quatre forces fondamentales connues (interactions électromagnétiques, faibles et fortes — à l’exclusion de la gravité) dans l’univers et classant toutes les particules élémentaires connues. Bien que le modèle standard ait rencontré d’énormes succès, il laisse certains phénomènes inexpliqués – par exemple, l’existence de particules qui interagissent avec des particules connues dans le modèle standard uniquement par gravité – et ne constitue pas une théorie complète des interactions fondamentales.