Les astronomes ont naturellement focalisé leurs télescopes sur la partie de l’univers la plus proche de nous, car ces étoiles et galaxies peuvent être examinées dans les moindres détails. Mais les astrophysiciens ont parfois eu du mal à concilier la population de notre propre voisinage galactique avec les théories de la matière noire. Par exemple, les modèles antérieurs prédisaient plus de galaxies voisines que celles qui ont été réellement repérées dans l’univers réel, un problème surnommé le problème des « satellites manquants ».
Les gros amas de matière noire devraient avoir suffisamment d’attraction gravitationnelle pour faire entrer le gaz qui s’accumule dans les étoiles et, plus tard, dans les galaxies. Mais un autre problème est que certaines simulations finissent par produire de gros amas de matière noire en orbite, qui ressemblent à ceux qui devrait hébergent des galaxies satellites, mais elles ne semblent pas avoir d’équivalents dans l’univers réel. C’est ce qu’on appelle le problème du «trop gros pour échouer», car on pense que d’énormes gouttes de matière noire sont trop massives pour ne pas former de galaxies en leur sein.
Un troisième défi vient du fait que les galaxies satellites tourbillonnant autour de la Voie lactée et d’Andromède semblent orbiter dans un plan, plutôt que de se disperser tout autour, ce que les physiciens de la matière noire n’avaient pas prédit.
Il y a aussi des problèmes cosmologiques que Frenk et ses collègues veulent résoudre. Les astronomes utilisant des explosions de supernova à proximité et d’autres phénomènes locaux pour mesurer la vitesse à laquelle l’univers se développe actuellement obtiennent des réponses différentes de celles qui sondent l’univers primitif. Si les modèles de matière noire sont corrects, il doit y avoir un moyen de résoudre l’écart troublant et persistant entre les observations passées et actuelles.
Mais des simulations comme SIBELIUS pourraient aider. Il pourrait s’avérer que l’endroit où une galaxie vit sur le réseau cosmique de matière noire fait vraiment une différence pour les mesures du taux d’expansion de l’univers. Et si la Voie lactée se trouvait en quelque sorte dans un « trou » du Web, si elle ressemblait davantage à une zone rurale entre des métropoles de matière noire ? Si notre partie de l’univers n’est pas réellement représentative, alors nos mesures locales de la vitesse à laquelle l’univers souffle vers l’extérieur pourraient être un peu biaisées.
La Voie lactée pourrait se trouver dans une région assez dense de matière noire ou dans une région clairsemée, explique Priyamvada Natarajan, astrophysicien de l’Université de Yale et expert en matière noire. « Ce qui est cool avec cette simulation, c’est qu’ils peuvent répondre : à quel point notre volume local est-il typique ou inhabituel ? Quelle est la rareté de la distribution de matière que nous voyons autour de nous ? Sommes-nous sur une montagne ou sommes-nous dans une vallée ? elle dit.
Lorsque l’on compare des galaxies observées avec des télescopes à ce qui est vu dans des simulations, il est nécessaire de comparer des pommes avec des pommes, explique Jenny Sorce, astrophysicienne à l’Institut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay, en France, qui a aidé à concevoir un type de simulation similaire, appelé CLONE, focalisé sur les galaxies de l’amas de la Vierge. « Ce n’est pas comme si vous pouviez comparer un type de cluster avec un autre s’ils ne partagent pas la même histoire ou le même environnement », dit-elle.
Frenk et son équipe ont effectué de nombreux tests initiaux avec leurs propres ordinateurs à basse résolution. Mais le temps sur les superordinateurs, comme sur les télescopes, est limité. Ils n’ont eu qu’une seule chance d’exécuter leur simulation complète, ce qui a nécessité des millions d’heures de calcul sur des milliers de cœurs d’ordinateur. Mais sur la base des résultats de leur simulation, ils constatent que le voisinage de la Voie lactée semble en effet atypique : nous vivons dans une région cosmique avec moins de galaxies que la moyenne, mais il y a aussi plus de gros amas de galaxies qu’en moyenne. C’est comme vivre dans une ville à faible altitude, comme Los Angeles, qui a néanmoins des chaînes de montagnes au loin.
Si la Voie lactée est en effet un excentrique, cela pourrait aider à expliquer certains mystères de la matière noire, spéculent Frenk et Boylan-Kolchin. Si nous sommes dans une partie clairsemée de l’univers, cela pourrait expliquer pourquoi les mesures locales du taux d’expansion sont différentes de ce à quoi on pourrait s’attendre sur la base des mesures de l’univers lointain.
Et si notre galaxie se trouve au milieu d’un voisinage atypique, cela pourrait expliquer pourquoi les satellites sont dans une configuration inhabituelle – peut-être qu’ils ont été entraînés dans l’orbite de la Voie lactée d’une manière particulière.
En d’autres termes, si le voisinage de la Voie lactée est effectivement inhabituel, cela signifie que la théorie de la matière noire froide survivra à ces défis – pour l’instant.