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Une simulation détaillée montre à quoi ressemblerait la matière noire si nous pouvions l’observer

simulation matiere noire
| J. Wang et al. 2020

La matière noire représente l’une des énigmes majeures de la cosmologie moderne. Constituant environ 27% de la densité totale d’énergie et 85% de la matière de l’Univers, elle intervient dans l’explication de nombreux phénomènes astrophysiques, de la dynamique des galaxies à la formation des grandes structures du cosmos. Cependant, la nature de la matière noire reste encore inconnue. Certains modèles postulent qu’elle serait constituée de particules, et notamment de WIMP. Bien que nous n’ayons pour le moment détecté aucune trace de ces particules, cela n’empêche pas les chercheurs de simuler leur comportement. C’est ce qu’a récemment fait une équipe de physiciens américains en réalisant une simulation complète de l’organisation de la matière noire, et l’étude a révélé des résultats extrêmement intéressants.

Le concept de matière noire émerge dès les années 1930 avec les astronomes Fritz Zwicky et Sinclair Smith. Toutefois, il faut attendre 1970 pour que les astrophysiciens Vera Rubin et Kent Ford proposent officiellement l’idée à la communauté scientifique. Aujourd’hui, nombreux sont les modèles théoriques impliquant l’existence de matière noire, y compris notre modèle cosmologique standard : le modèle Λ-CDM (pour Cold Dark Matter, matière noire froide). Ainsi, cette insaisissable matière est-elle censée expliquer la courbe anormale de rotation des galaxies, certaines anisotropies du fond diffus cosmologique ou encore la formation des grandes structures.

Une matière noire potentiellement constituée de WIMP

Récemment, une équipe du Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics a réalisé une simulation détaillée de la toile de matière noire, et elle a produit des résultats surprenants. La précision de toute simulation de matière noire dépend des hypothèses faites sur la matière noire. Dans ce cas, l’équipe a supposé que la matière noire consistait en des particules massives à faible interaction (WIMP) d’une masse environ 100 fois supérieure à celle d’un proton.

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structure wimp
La simulation détaillée montre comment les WIMP s’organisent à tous les niveaux. Crédits : J. Wang et al. 2020

Les WIMP sont l’un des candidats les plus populaires pour la matière noire. Des simulations informatiques similaires de la matière noire à base de WIMP ont déjà été réalisées. Cependant, celle-ci était d’une résolution exceptionnellement élevée, simulant des caractéristiques sur une échelle allant jusqu’à trente ordres de grandeur.

Des halos de matière noire présents à toutes les échelles

Dans cette simulation, la matière noire s’est formée en halos autour des galaxies, tout comme nous l’observons. Mais il est intéressant de noter que les halos se sont également développés à toutes les échelles de masse, des petits halos de masse planétaire aux halos galactiques, en passant par les halos massifs qui se forment autour d’amas de galaxies.

zoom wimp
Zoom progressif sur l’organisation de la matière noire sur une portion de 30 Mpc. Crédits : J. Wang et al. 2020

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Ces halos ont une structure similaire, où ils sont plus denses vers leur centre, devenant plus diffus sur leurs bords. Le fait que cela se produise à toutes les échelles en fait une caractéristique explicite de la matière noire. Bien que les halos à petite échelle soient trop petits pour être détectés grâce à leur influence gravitationnelle sur la lumière, ils pourraient nous dire comment la matière noire interagit avec elle-même.

Traquer la matière noire grâce aux rayons gamma

Une hypothèse sur la matière noire est que lorsque les particules de matière noire entrent en collision, elles émettent un rayonnement gamma. Certaines observations de rayons gamma ont fait allusion à un excès de rayons gamma provenant du centre de notre galaxie, qui pourrait être causé par la matière noire.

Dans ce modèle particulier, la plupart des rayonnements gamma produits par la matière noire proviendraient de halos plus petits. Étant donné que l’échelle d’un halo affecterait le spectre d’énergie des rayons gamma, ce modèle fait des prédictions spécifiques sur l’excès de rayons gamma que nous devrions voir à la fois dans la Voie lactée et dans d’autres galaxies.

Sources : arXiv

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