Des astronomes ont mis au point la carte à la plus haute résolution à ce jour de la matière noire de l’Univers, montrant de manière inédite son influence sur la formation des étoiles et des galaxies. La carte révèle notamment en détail la manière dont elle a contribué à attirer la matière ordinaire vers les régions de naissance des galaxies, apportant ainsi un élément supplémentaire en faveur des principaux modèles théoriques.
La matière noire constitue l’une des énigmes les plus persistantes en cosmologie. Près de cinq fois plus abondante que la matière ordinaire composant tout ce qui nous est visible, elle n’a jamais été détectée directement car elle n’émet, ne réfléchit, n’absorbe ni ne bloque de lumière. La seule manière dont nous disposons pour l’observer est d’étudier ses effets gravitationnels. Son influence gravitationnelle est détectable à grande échelle au sein des galaxies et des amas de galaxies.
On pense que la matière noire et la matière ordinaire étaient réparties de manière clairsemée au début de l’Univers. La matière noire se serait d’abord agglomérée avant d’attirer la matière ordinaire pour créer les régions au sein desquelles les premières étoiles et les galaxies se seraient formées. Ce processus impliquerait ainsi que la matière noire a déterminé la distribution à grande échelle des galaxies dans l’Univers en déclenchant leur formation plus tôt que la matière ordinaire seule ne l’aurait fait.
Ainsi, la matière noire aurait contribué à créer les conditions nécessaires à la formation des galaxies, des systèmes planétaires et peut-être même des éléments qui ont permis l’émergence de la vie. « Partout où l’on trouve de la matière normale dans l’Univers actuel, on trouve également de la matière noire. Des milliards de particules de matière noire traversent votre corps chaque seconde. C’est inoffensif, elles ne nous remarquent pas et continuent leur chemin », explique Richard Massey, professeur à l’Institut de cosmologie computationnelle du département de physique de l’Université de Durham.
« Tout le nuage tourbillonnant de matière noire autour de la Voie lactée possède une gravité suffisante pour maintenir notre galaxie entière unie. Sans matière noire, la Voie lactée se désintégrerait par rotation », souligne-t-il.
La compréhension de la manière dont elle interagit avec la matière ordinaire pour influencer ces processus cosmiques à grande échelle demeure cependant incomplète. La nouvelle carte établie grâce aux données du télescope spatial James Webb (JWST) par Massey et ses collègues révèle des détails inédits et pourrait fournir de nouvelles informations sur ce mécanisme.
« En révélant la matière noire avec une précision sans précédent, notre carte montre comment une composante invisible de l’Univers a structuré la matière visible au point de permettre l’émergence des galaxies, des étoiles et, finalement, de la vie elle-même », explique Gavin Leroy, co-auteur principal de l’étude et également membre de l’Institut de cosmologie computationnelle du département de physique de l’université de Durham. « Cette carte révèle le rôle invisible mais essentiel de la matière noire, véritable architecte de l’Univers, qui organise progressivement les structures que nous observons à travers nos télescopes », ajoute-t-il.
10 fois plus de galaxies que les cartes précédentes
Pour développer la nouvelle carte, les chercheurs se sont concentrés sur une région du ciel appelée champ COSMOS, largement étudiée par le télescope spatial Hubble et d’autres observatoires. Il s’agit d’une région du ciel environ 2,5 fois plus grande que le disque lunaire, située dans la constellation du Sextant. Hubble avait fourni il y a environ 20 ans des images détaillées de cette région, offrant un aperçu de la structure de l’Univers.
L’équipe a utilisé l’instrument infrarouge moyen (MIRI) du JWST pour affiner les mesures de la distance des nombreuses galaxies de la carte. Les longueurs d’onde détectées par MIRI lui permettent de repérer efficacement les galaxies masquées par des nuages de poussière cosmique.
En ratissant la région pendant près de 255 heures, le télescope a permis de recenser près de 800 000 galaxies réparties dans la région, dont beaucoup non répertoriées jusqu’ici. La carte contient notamment près de 10 fois plus de galaxies que les cartes de la région réalisées par les observatoires terrestres et deux fois plus que celle réalisée avec les données de Hubble.
Grâce aux données du télescope spatial James Webb, des astronomes ont produit l’une des cartes les plus détaillées à ce jour de la matière noire. En mesurant comment la gravité de cette matière invisible courbe la lumière des galaxies d’arrière-plan, la carte révèle comment la matière noire constitue la structure cachée sur laquelle se forment les galaxies visibles. Les contours superposés indiquent les régions de densité de matière noire égale, mettant en évidence les zones où cette matière invisible – représentée ici en bleu – est la plus concentrée. © Gavin Leroy/Collaboration COSMOS-WebbUn chevauchement précis des amas de matière noire et ordinaire
Les chercheurs ont ensuite analysé la répartition de la matière noire sur la carte en observant la manière dont sa masse courbe l’espace. Cette courbure modifie à son tour la manière dont la lumière des galaxies parvient jusqu’aux télescopes, un peu à la manière d’un faisceau passant à travers une vitre déformante.
Les données ont révélé de nouveaux amas de matière noire et offrent une vue à plus haute résolution des zones précédemment observées par Hubble. La carte a mis en lumière un chevauchement précis entre la distribution de matière noire et de matière ordinaire qui ne pourrait s’expliquer par la seule coïncidence, d’après les résultats détaillés dans la revue Nature Astronomy.
Distribution de la matière noire dans le champ COSMOS observée par le télescope spatial Hubble (à gauche) et par le télescope spatial James Webb (à droite). © Gavin Leroy Richard Massey/Collaboration COSMOS-WebbD’après Diana Scognamiglio, co-auteure principale de l’étude et chercheuse au Jet Propulsion Laboratory de la NASA : « il s’agit de la plus grande carte de matière noire que nous ayons réalisée avec Webb, et elle est deux fois plus précise que n’importe quelle autre carte de matière noire réalisée par d’autres observatoires. Auparavant, nous n’avions qu’une image floue de la matière noire. Maintenant, grâce à l’incroyable résolution du télescope Webb, nous voyons la structure invisible de l’univers avec une précision stupéfiante ».
La prochaine étape de l’équipe consistera à cartographier la matière noire dans l’ensemble de l’Univers en utilisant le télescope Euclid de l’Agence spatiale européenne (ESA) et le futur télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA. Les chercheurs estiment que cette carte à haute résolution pourra servir de référence pour affiner et comparer les futures cartes.
