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Les astronomes découvrent un nouveau lien entre la matière noire et les amas de l’univers

Les astronomes découvrent un nouveau lien entre la matière noire et les amas de l’univers

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Une carte des galaxies dans l’univers local vue par le Sloan Digital Sky Survey, que les chercheurs ont utilisé pour tester la théorie de l’axion. Chaque point est un emplacement galactique et la Terre est au milieu de la carte. Crédit : Sloan Digital Sky Survey

Dans une étude publiée aujourd’hui dans Journal de cosmologie et d’astrophysiqueDes chercheurs de l’Université de Toronto ont révélé une percée théorique qui pourrait expliquer à la fois la nature invisible de la matière noire et la structure à grande échelle de l’univers connue sous le nom de toile cosmique. Le résultat établit un nouveau lien entre ces deux problèmes de longue date en astronomie, ouvrant de nouvelles possibilités pour comprendre l’univers.

La recherche suggère que le « problème d’agrégation », qui se concentre sur une répartition inattendue et uniforme de la matière à grande échelle dans l’univers, peut être un signe que la matière noire est composée d’hypothétiques particules ultra-légères appelées axions. Les implications de prouver l’existence d’axes difficiles à détecter vont bien au-delà de la compréhension de la matière noire et pourraient répondre à des questions fondamentales sur la nature de l’univers lui-même.

« Si cela est confirmé par de futures observations de télescopes et des expériences de laboratoire, la découverte de la matière noire axionique sera l’une des découvertes les plus importantes de ce siècle », déclare l’auteur principal Keir Rogers, boursier Dunlap au Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics du College of Arts. et Astrophysique. Sciences à l’Université de Toronto.

« Dans le même temps, nos résultats indiquent une explication de la raison pour laquelle l’univers est moins grumeleux que nous le pensions, une observation qui est devenue plus prononcée au cours de la dernière décennie et laisse actuellement notre théorie de l’univers incertaine. »

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La matière noire, qui représente 85 % de la masse de l’univers, est invisible car elle n’interagit pas avec la lumière. Les scientifiques étudient les effets de la gravité sur la matière visible pour comprendre comment elle se répartit dans l’univers.

Une simulation informatique d’une partie de l’univers avec ou sans axes montrant comment la structure de la toile cosmique de matière noire est moins grumeleuse si elle a des axes. En ce qui concerne la taille, la Voie lactée se trouvera à l’intérieur de l’un des minuscules points verts appelés halos. Crédit : Alexander Spencer Londres/Alex Lago.

Une théorie de premier plan propose que la matière noire soit constituée d’axions, décrits en mécanique quantique comme « flous » en raison de leur comportement ondulatoire. Contrairement aux particules ponctuelles discrètes, les axions peuvent avoir des longueurs d’onde plus longues que des galaxies entières. Ce flou affecte la composition et la distribution de la matière noire, ce qui peut expliquer pourquoi l’univers est moins grumeleux que ce à quoi on pourrait s’attendre dans un univers sans axes.

Cette absence d’agglutination a été observée dans les études de grandes galaxies, remettant en question l’autre théorie dominante selon laquelle la matière noire se compose uniquement de particules subatomiques lourdes à faible interaction appelées WIMP. Malgré des expériences telles que le Large Hadron Collider, aucune preuve n’a été trouvée pour soutenir l’existence de WIMP.

« En science, lorsque les idées sont démêlées, de nouvelles découvertes sont faites et de vieux problèmes sont résolus », explique Rogers.

Pour l’étude, l’équipe de recherche – dirigée par Rogers, et qui comprend des membres du groupe de recherche du professeur agrégé Renee Hluczek au Dunlap Institute, ainsi que de l’Université de Pennsylvanie, de l’Institute for Advanced Study, de l’Université Columbia et du King’s College de Londres – a analysé les observations de la lumière résiduelle du Big Bang, également connue sous le nom de micro-ondes cosmiques (CMB), obtenues à partir des relevés Planck 2018 et du Atacama Cosmology and South Pole Telescope.

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Une simulation informatique d’une partie de l’univers avec ou sans axes montrant comment la structure de la toile cosmique de matière noire est moins grumeleuse si elle a des axes. En ce qui concerne la taille, la Voie lactée se trouvera à l’intérieur de l’un des minuscules points verts appelés halos. Crédit : Alexander Spencer Londres/Alex Lago.

Les chercheurs ont comparé ces données du CMB avec les données des amas de galaxies du Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), qui cartographie les emplacements de près d’un million de galaxies dans l’univers proche. En étudiant la distribution des galaxies, qui reflètent le comportement de la matière noire sous les forces gravitationnelles, ils ont mesuré les fluctuations de la quantité de matière dans l’univers et confirmé sa masse inférieure par rapport aux prédictions.

Les chercheurs ont ensuite exécuté des simulations informatiques pour prédire l’apparition de la lumière résiduelle et la distribution des galaxies dans un univers avec de longues longueurs d’onde de matière noire. Ces calculs s’alignent sur les données CMB du Big Bang et les données de clustering des galaxies, soutenant l’idée que des axes flous pourraient expliquer le problème de clustering.

Les recherches futures comprendront des enquêtes à grande échelle pour cartographier des millions de galaxies et fournir des mesures précises du regroupement, y compris des observations au cours de la prochaine décennie avec l’observatoire Rubin.

Les chercheurs espèrent comparer leur théorie aux observations directes de la matière noire par lentille gravitationnelle, un effet dans lequel l’agglomération de la matière noire est mesurée par la courbure de la lumière des galaxies lointaines, semblable à une loupe géante. Ils prévoient également d’étudier comment les galaxies expulsent du gaz dans l’espace et comment cela affecte la distribution de la matière noire pour confirmer davantage leurs découvertes.

En façonnant l’univers, la gravité construit une structure semblable à une toile d’araignée de filaments qui relient les galaxies et les amas de galaxies le long de ponts invisibles longs de centaines de millions d’années-lumière. C’est ce qu’on appelle la toile cosmique. Crédit : Volker Sprengel (Institut Max Planck d’astrophysique) et al.

Comprendre la nature de la matière noire est l’une des questions fondamentales les plus urgentes et la clé pour comprendre l’origine et l’avenir de l’univers.

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À l’heure actuelle, les scientifiques n’ont pas une seule théorie qui expliquerait à la fois la gravité et la mécanique quantique – la théorie de tout. La théorie la plus populaire de tout au cours des dernières décennies est la théorie des cordes, qui postule un autre niveau inférieur de niveau quantique, où tout consiste en des excitations d’énergie de type corde. Selon Rogers, la découverte d’une mystérieuse particule axiale pourrait être un indice que la théorie des cordes de tout est correcte.

« Nous avons maintenant les outils qui, même dans la prochaine décennie, peuvent enfin nous permettre de comprendre quelque chose de manière empirique sur un mystère centenaire de la matière noire – et cela pourrait nous donner des indices de réponses sur des questions théoriques plus larges », déclare Rogers. . « L’espoir est que les éléments déroutants de l’univers peuvent être résolus. »

Plus d’information:
Axes ultra-légers et tension S8 : contraintes partagées du fond diffus cosmologique et de l’amas de galaxies, Journal de cosmologie et d’astrophysique (2023). DOI : 10.1088/1475-7516. iopscience.iop.org/article/10. …475-7516/2023/06/023

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