Des astronomes mesurent la matière noire à partir des « premiers instants de l’univers »

Tordu dans notre univers se trouve l’un des plus grands mystères non résolus de la science. Où est toute la matière noire ? Quoi est toute la matière noire?

Je veux dire, nous savons que c’est là.

Les galaxies, y compris la Voie lactée, tournent si rapidement que notre physique prédit que tout ce qui se trouve à l’intérieur devrait être projeté vers l’extérieur comme des chevaux. Mais visiblement, ça ne passe pas. Toi, moi, le soleil et la Terre sont ancrés en toute sécurité. Par conséquent, les scientifiques émettent l’hypothèse que quelque chose – probablement en forme de halo – doit entourer les galaxies pour les empêcher de s’effondrer.

Tout ce qui comprend ces limites est appelé matière noire. Nous ne pouvons pas le voir, nous ne pouvons pas le sentir, et nous ne savons même pas si c’est une chose. C’est la quintessence de l’insaisissable. Nous savons seulement que la matière noire existe.

Malgré notre incapacité à voir ou à toucher le matériau lui-même, les experts ont des moyens intéressants d’identifier les effets qu’il a sur notre univers. Après tout, nous avons déduit la présence de matière noire en premier lieu en remarquant comment elle maintient les galaxies ensemble.

Les scientifiques ont profité de ce principe, annonçant lundi de nouvelles découvertes remarquables sur la matière noire. Avec une boîte à outils composée d’espace déformé, de résidus cosmiques laissés par le Big Bang et de puissants instruments d’astronomie, ils ont détecté une zone spatiale profonde de halos de matière noire jusque-là non étudiés – chacun situé autour d’une ancienne galaxie, la protégeant consciencieusement d’une vie joyeuse. -cauchemar rond.

Ces tourbillons, selon , remontent 12 milliards d’années, un peu moins de deux milliards d’années après le Big Bang. Cela pourrait très bien en faire les plus jeunes anneaux de matière noire jamais étudiés par l’humanité, suggèrent les auteurs, et potentiellement le prélude au prochain chapitre de la cosmologie.

« J’étais heureux que nous ayons ouvert une nouvelle fenêtre sur cette époque », a déclaré Hironao Miyatake de l’Université de Nagoya et auteur de l’étude, . « Il y a 12 milliards d’années, les choses étaient très différentes. Vous voyez plus de galaxies en cours de formation qu’aujourd’hui ; les premiers amas de galaxies commencent également à se former. »

Attends, espace déformé ? Résidu cosmique ?

Oui, vous avez bien lu. Expliquons-nous.

Il y a plus d’un siècle, lorsqu’Albert Einstein a inventé sa célèbre théorie de la relativité générale, une prédiction qu’il a faite était que des champs gravitationnels super puissants provenant de quantités massives de matière déformeraient littéralement le tissu de l’espace et du temps, ou de l’espace-temps. Il s’est avéré avoir raison. Aujourd’hui, les physiciens exploitent le concept en faisant appel à une technique appelée lentille gravitationnelle pour étudier des galaxies très lointaines et d’autres phénomènes dans l’univers. Cela fonctionne quelque chose comme ça.

Imaginez deux galaxies. La galaxie A est en arrière-plan et B est au premier plan.

Fondamentalement, lorsque la lumière de la galaxie A passe par la galaxie B pour atteindre vos yeux, cette luminescence est déformée par la matière de B, sombre ou non. C’est une bonne nouvelle pour les scientifiques, car une telle distorsion souvent magnifie galaxies lointaines, un peu comme une lentille.

De plus, il y a une sorte de calcul inverse que vous pouvez faire avec cette distorsion lumineuse pour déterminer la quantité de matière noire qui entoure la galaxie B. Si la galaxie B contenait un parcelle de matière noire, vous verriez un parcelle plus de distorsion que prévu de la matière visible – ce que nous pouvons voir – à l’intérieur. Mais s’il n’y avait pas autant de matière noire, la distorsion serait beaucoup plus proche de votre prédiction. Ce système a plutôt bien fonctionné, mais il comporte une mise en garde.

Ce croquis montre les chemins de la lumière d’un quasar distant, qui est un objet très brillant au centre d’une galaxie, étant gravitationnellement lentille par une galaxie de premier plan sur le chemin de la lentille du télescope spatial Hubble.

NASA, ESA et D. P

La lentille gravitationnelle standard permet uniquement aux chercheurs d’identifier la matière noire autour des galaxies situées entre 8 et 10 milliards d’années-lumière, au maximum.

En effet, à mesure que vous regardez de plus en plus profondément dans l’univers, la lumière visible devient de plus en plus difficile à interpréter, se transformant même finalement en lumière infrarouge totalement invisible à l’œil humain. (C’est pourquoi est si important. C’est notre meilleure chance d’attraper la lumière la plus faible et la plus invisible provenant du cosmos lointain.) Mais cela signifie que les signaux de distorsion de la lumière visible pour les études sur la matière noire deviennent beaucoup trop faibles au-delà d’un certain point pour nous aider à analyser les choses cachées.

Miyatake a trouvé une solution de contournement.

Peut-être que nous ne pouvons pas remarquer les distorsions lumineuses standard pour détecter la matière noire, mais que se passe-t-il s’il existe un autre type de distorsion que nous pouvons voir ? Il s’avère qu’il y a : le rayonnement micro-ondes émis par le Big Bang. Il s’agit à peu près de restes de chaleur du Big Bang, officiellement connus sous le nom de rayonnement de fond cosmique micro-ondes, ou CMB, rayonnement.

« Regardez la matière noire autour des galaxies lointaines ? » Masami Ouchi, cosmologiste à l’Université de Tokyo et co-auteur de l’étude, a déclaré dans un communiqué. « C’était une idée folle. Personne ne s’est rendu compte que nous pouvions faire cela. Mais après avoir donné une conférence sur un grand échantillon de galaxie lointaine, Hironao est venu me voir et m’a dit qu’il serait peut-être possible d’observer la matière noire autour de ces galaxies avec le CMB.  »

Essentiellement, Miyatake voulait observer comment la matière noire cristallisait gravitationnellement la première lumière de notre univers.

Ramasser des morceaux du Big Bang

« La plupart des chercheurs utilisent des galaxies sources pour mesurer la distribution de la matière noire depuis le présent jusqu’à il y a 8 milliards d’années », a déclaré Yuichi Harikane, professeur adjoint à l’Université de Tokyo et co-auteur de l’étude, dans un communiqué. « Cependant, nous pouvions regarder plus loin dans le passé parce que nous utilisions le CMB plus éloigné pour mesurer la matière noire. Pour la première fois, nous mesurions la matière noire depuis presque les premiers instants de l’univers. »

Pour arriver à leurs résultats, la nouvelle équipe d’étude a d’abord recueilli des données à partir d’observations prises par l’enquête Subaru Hyper Suprime-Cam.

Cela les a amenés à identifier 1,5 million de galaxies à lentilles – un groupe de galaxies B hypothétiques – qui pourraient remonter à 12 milliards d’années. Ils ont alors fait appel aux informations du satellite Planck de l’Agence spatiale européenne sur le rayonnement micro-onde du Big Bang. Mettez tout cela ensemble et l’équipe pourrait savoir si et comment ces galaxies à lentilles déformaient les micro-ondes.

Une vue de centaines (peut-être des milliers) de galaxies dans l'espace lointain

Le premier champ profond du télescope spatial James Webb a été révélé le 11 juillet. Vous pouvez y voir une tonne de lentilles gravitationnelles, comme l’indiquent les galaxies étirées vers le centre.

NASA, ESA, ASC et STScI

« Ce résultat donne une image très cohérente des galaxies et de leur évolution, ainsi que de la matière noire dans et autour des galaxies, et comment cette image évolue avec le temps », a déclaré Neta Bahcall, professeur de sciences astrophysiques à l’Université de Princeton et co-auteur de l’étude. , a déclaré dans un communiqué.

Notamment, les chercheurs ont souligné leur étude en trouvant que la matière noire de l’univers primitif ne semble pas être aussi agglomérée que nos modèles physiques actuels le suggèrent. En fin de compte, ce bit pourrait ajuster ce que nous croyons actuellement sur la cosmologie, principalement des théorèmes enracinés dans ce qu’on appelle le modèle Lambda-CDM.

« Notre découverte est encore incertaine », a déclaré Miyatake. « Mais si c’est vrai, cela suggérerait que l’ensemble du modèle est défectueux à mesure que vous remontez dans le temps. C’est excitant car si le résultat tient après la réduction des incertitudes, cela pourrait suggérer une amélioration du modèle qui pourrait donner un aperçu. dans la nature de la matière noire elle-même. »

Et ensuite, l’équipe d’étude veut explorer des régions encore plus anciennes de l’espace en puisant dans les informations détenues par l’enquête Legacy Survey of Space and Time de l’observatoire Vera C. Rubin.

« LSST nous permettra d’observer la moitié du ciel », a déclaré Harikane. « Je ne vois aucune raison pour laquelle nous ne pouvions pas voir la distribution de la matière noire il y a 13 milliards d’années. »

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