Il est impossible pour un télescope d’imager et c’est loin d’être complètement compris, pourtant la matière noire est partout.
Les mystères les plus profonds de la matière noire concernent sa nature et son comportement. L’idée dominante concernant la matière noire est la théorie de la matière noire froide (CDM), qui postule que la matière noire est constituée de particules à faible vitesse qui n’interagissent pas entre elles. Cette réflexion a été débattue – et elle est à nouveau sujette à débat. Dirigée par l’astrophysicien Hai-Bo Yu, une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à Riverside a mis au point une idée alternative expliquant deux extrêmes dans lesquels la matière noire froide ne fonctionne pas bien.
On pense que les galaxies et les amas de galaxies sont entourés de halos de matière noire. À une extrémité de la controverse se trouvent les halos de matière noire galactique qui sont trop denses pour être cohérents avec le MDP, et à l’autre, les halos de matière noire galactique trop diffus pour que le MDP puisse avoir un sens. Yu et ses collègues suggèrent plutôt qu’une force obscure (désolé, les fans de Star Wars, pas le Force) fait que les particules de matière noire s’entrechoquent. Il s’agit de la matière noire auto-interagissante (SIDM).
L’idée de particules invisibles qui interagissent, soit en se poussant les unes les autres plus loin et vers l’extérieur dans un halo diffus, soit en se rapprochant et vers l’intérieur dans un halo dense, est peut-être ce que nous recherchions dans l’obscurité. Mais d’abord, pourquoi la quasi-totalité de la matière noire est-elle considérée comme froide ?
Perdu dans le noir
La matière noire est « sombre » car ses interactions avec la matière visible et le rayonnement électromagnétique sont soit faibles, soit inexistantes. Aucune lumière ne peut l’éclairer en raison de son incapacité à interagir de manière significative avec tout type de rayonnement électromagnétique. La raison pour laquelle la matière noire est dite « froide », du moins selon la théorie de la matière noire froide, est que les particules lentes se déplacent beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière.
Le MDP reste le modèle standard pour la matière noire car il permet de construire et de maintenir des structures cosmiques telles que les galaxies. Si la matière noire est froide, elle peut alors s’agglutiner et s’agréger plus facilement que si elle filait dans le vide de l’espace – ce qui serait le cas si toute la matière noire était « chaude » ou constituée de particules plus légères se déplaçant à grande vitesse. Les particules chaudes de matière noire seraient trop rapides pour former des structures sur de longues périodes et aplatiraient toutes les structures existantes qu’elles rencontreraient. La matière noire chaude se situe quelque part entre le froid et le chaud.
On ne sait pas combien de types de matière noire existent. Certains scientifiques insistent sur le fait que toute matière noire est froide, tandis que d’autres affirment qu’il en existe plusieurs types.
Même si le CDM ne dit pas que cette matière invisible est totalement immobile, il ne permet pas à de nombreuses particules de matière noire d’entrer en collision. C’est là qu’intervient le SIDM.
Donner plus de lumière
Alors que la matière noire chaude et chaude dépassait le cadre de leur étude, Yu et son équipe ont testé si le SIDM pouvait expliquer un aspect de la matière noire froide qui ne fonctionne pas vraiment : il a du mal à expliquer les halos de matière noire extrêmement denses et extrêmement diffus.
« Dans le [diffuse scenario], les interactions transportent la chaleur des régions du halo externe vers l’intérieur, réduisant ainsi la densité centrale ; dans le [dense scenario]la direction du flux de chaleur s’inverse et le halo interne devient plus dense que son homologue CDM », ont-ils déclaré dans une étude récemment publiée dans The Astrophysical Journal Letters.
Les galaxies ultradiffuses (UDG) sont des galaxies naines particulièrement sombres car leurs étoiles sont très éloignées les unes des autres. Le gaz formant des étoiles est trop dispersé pour produire de nombreuses nouvelles étoiles. Le halo de matière noire d’une galaxie ultradiffuse s’étend beaucoup plus loin que celui d’une galaxie naine ordinaire, ce qui ne devrait pas se produire avec les particules sans collision proposées par CDM : les particules qui n’interagissent pas seraient plus proches les unes des autres et produiraient un halo plus dense avec une portée plus courte. Le SIDM permet aux particules d’entrer en collision et de transférer de la chaleur, et l’expansion de la matière noire qui en résulte peut expliquer pourquoi ces halos sont si diffus.
Le deuxième scénario concerne des halos de matière noire si denses qu’ils ont un impact sur la lentille gravitationnelle. Ces halos denses contiennent suffisamment de matière noire pour plier l’espace-temps, de sorte que la lumière traversant cette région de l’espace se courbe également. En raison de ces perturbations, un objet situé derrière la galaxie lentille est agrandi, bien que souvent de manière quelque peu déformée. SIDM prend également en charge des concentrations de matière noire suffisantes pour affecter la lentille gravitationnelle, car les particules en collision devraient pouvoir entrer vers l’intérieur tout comme elles sortent. Les particules qui se rapprochent augmentent la densité du halo, et une horde d’entre elles peut former une énorme goutte de matière noire qui produit une lentille gravitationnelle.
À bien des égards, nous sommes encore dans l’ignorance concernant la matière noire. En attendant qu’il existe un moyen de le détecter directement, nous devons nous appuyer sur des travaux théoriques pour déterminer si des idées comme le SIDM pourraient avoir une incidence sur quelque chose. Peut-être qu’un jour nous disposerons d’une méthode de détection directe qui mettra enfin en lumière les mystères de la matière noire.
Lettres de journaux astrophysiques, 2023. DOI : 10.3847/2041-8213/ad0e09