De nouvelles preuves montrent que la matière noire pourrait être constituée de photons sombres

preuves photons noirs
Projection 2D de la toile cosmique telle qu’obtenue à partir d’une simulation. | Ewald Puchwein et la collaboration Sherwood-Relics
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Les données recueillies par le Cosmic Origins Spectrograph (COS) embarqué sur Hubble ont révélé que les filaments cosmiques intergalactiques sont plus chauds que ce que prédisent les simulations hydrodynamiques du modèle standard de formation des structures. Selon des chercheurs de la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) et leurs collaborateurs, ceci pourrait s’expliquer par la présence de photons sombres.

La matière noire, ou matière sombre, est une matière hypothétique, dont l’existence pourrait expliquer la formation et l’évolution des grandes structures de l’Univers, telles que les amas de galaxies. Elle n’a jamais été observée directement et sa nature exacte demeure mystérieuse. Pour en savoir plus sur les propriétés de la matière noire, les scientifiques examinent les caractéristiques de la lumière émise par des quasars lointains ; celle-ci porte en effet les signatures d’absorption du gaz hydrogène qu’elle rencontre en cours de route.

Les spectres des quasars présentent ainsi des raies caractéristiques. Certaines de ces raies sont toutefois plus larges que prévu. Des scientifiques de la SISSA proposent que le phénomène puisse être dû à la présence de photons sombres. « Les photons sombres seraient capables de se convertir en photons de basse fréquence et de réchauffer les structures cosmiques », expliquent les chercheurs dans un communiqué. Le réchauffement des nuages de gaz entraînerait en effet un élargissement des raies d’absorption.

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Une « forêt » de raies d’absorption pour caractériser le milieu intergalactique

Lorsque la lumière d’un quasar lointain traverse plusieurs nuages ​​​​de gaz avec différents décalages vers le rouge (redshifts), plusieurs raies d’absorption se forment. La raie la plus importante est la raie de l’hydrogène dite « Lyman alpha » (Ly-α), qui correspond à la transition d’un électron atomique du premier état excité à l’état fondamental ; elle est émise dans l’ultraviolet (à 121,5 nanomètres). Chaque nuage de gaz rencontré va générer une telle raie, c’est pourquoi les experts parlent de « forêt Lyman alpha » lorsqu’ils observent le spectre des quasars.

raies absorption quasar
La lumière d’un quasar distant traverse des régions de gaz dense (violet) dans le milieu intergalactique. Le gaz absorbe la lumière à des fréquences spécifiques, ce qui conduit à une « forêt » de raies d’absorption dans le spectre du quasar (vert). © P. Gaikwad/Kavli Institute for Cosmology, Cambridge

Ces raies permettent non seulement d’étudier la distribution de ces nuages de gaz dans l’espace (en déterminant leur localisation), mais aussi de mesurer directement la quantité de gaz qu’ils contiennent. La largeur, la hauteur et d’autres propriétés des raies d’absorption permettent aux chercheurs de déduire plusieurs caractéristiques des nuages (densité, température, etc.). « La forêt Ly-α est également un calorimètre ; les largeurs des lignes d’absorption sont sensibles à la température de l’hydrogène intergalactique », explique l’équipe dans son article.

Les scientifiques utilisent ces données pour tester leurs modèles de distribution de matière dans les galaxies et autres mégastructures de l’Univers. Lorsqu’il s’agit de nuages de gaz très éloignés — avec un redshift élevé, les simulations correspondent assez bien aux données d’observation. En revanche, pour les nuages de gaz plus proches (z ≃ 0,1), un écart apparaît : ces nuages produisent des raies d’absorption plus larges que prévu. James Bolton, astrophysicien à l’Université de Nottingham, et ses co-auteurs suggèrent que des photons noirs sont à l’origine de cet élargissement.

« Nous avons utilisé pour la première fois les données du milieu intergalactique à faible décalage vers le rouge comme un calorimètre, pour vérifier si tous les processus de chauffage que nous connaissons sont suffisants pour reproduire les données. Nous avons constaté que ce n’était pas le cas : il manque quelque chose, que nous modélisons comme une contribution produite par le photon sombre », résume Matteo Viel, de la SISSA.

Un processus de chauffage plus efficace

En théorie, les photons sombres ont une masse, environ vingt ordres de grandeur inférieure à celle de l’électron. Ils devraient se mélanger aux photons ordinaires (du modèle standard), comme les différents types de neutrinos — les photons sombres ultralégers se transformant ainsi spontanément en photons ordinaires. Comme précisé dans Physics Magazine, cette transformation peut toutefois être améliorée lorsque les photons sombres entrent dans un gaz ionisé remplissant une condition de résonance, donc ayant une certaine densité.

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Les photons ordinaires, absorbés par le milieu intergalactique, vont alors réchauffer la toile cosmique. « Les photons sombres avec une masse d’environ 8 × 10-14 eV.c-2 et un mélange cinétique d’environ 5 × 10-15 peuvent satisfaire l’excès de chauffage », détaillent les chercheurs. Mais, contrairement à d’autres mécanismes de chauffage basés sur des processus astrophysiques (tels que la formation d’étoiles et les vents galactiques), ce processus de chauffage est plus diffus et s’avère efficace même dans les régions qui ne sont pas très denses. L’équipe pense d’ailleurs que ce processus pourrait s’être produit dans des nuages plus lointains, qui remplissaient autrefois les conditions de résonance.

Ces travaux ont permis d’estimer la masse et le mélange des photons sombres et ordinaires nécessaires pour concilier l’écart entre les observations et la simulation. Cela pourrait donc être le premier indice de l’existence de matière noire qui n’est pas observée à travers ses effets gravitationnels.

Des sources de chaleur alternatives pourraient toutefois expliquer les données spectrales, comme les jets de trous noirs supermassifs au centre des galaxies. D’autres recherches théoriques et observationnelles seront donc menées pour explorer plus avant la possibilité que le photon sombre soit un composant de la matière noire.

Source : J. Bolton et al., Physical Review Letters

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