Premiers signes de l’existence d’interactions au sein de la matière noire

Communiqué de presse de l’ESO :

Pour la toute première fois, une interaction autre que gravitationnelle a pu être observée au sein de la matière noire. Le suivi d’une collision galactique au moyen du VLT et du Télescope Spatial Hubble a permis de collecter les toutes premières informations concernant la nature de cette mystérieuse composante de l’Univers.

En combinant les données de l’instrument MUSE qui équipe le VLT (Very Large Telescope) de l’ESO au Chili aux images acquises par le télescope spatial Hubble, une équipe d’astronomes a pu étudier la collision simultanée de quatre galaxies au sein de l’amas Abell 3827. Les chercheurs ont notamment été en mesure de localiser la matière contenue au sein de ce système et de comparer la distribution de matière noire aux positions occupées par les galaxies lumineuses.

Étant dotée d’une masse, la matière noire dévie la lumière en provenance des galaxies d’arrière-plan. Cet effet de lentille gravitationnelle a permis à l’équipe de déterminer sa position, en dépit de son invisibilité. Par chance, la collision s’est produite juste devant une cinquième galaxie d’arrière-plan, dont la lumière a dû traverser le champ de la collision avant d’atteindre la Terre. La masse de l’amas a sérieusement déformé l’espace-temps, et donc dévié le trajet de la lumière en provenance de la galaxie lointaine.

Dans l’état actuel de nos connaissances, il apparaît que toutes les galaxies résident au sein de vastes réservoirs de matière noire. Sa masse, et donc la gravitation qu’elle engendre, permet à des galaxies telles que la Voie lactée de conserver leur cohésion, en dépit de leur rotation. À cette fin, 85 % de la masse totale de l’Univers (répartis comme suit dans le bilan masse/énergie : 68 % d’énergie noire, 27 % de matière et environ 5 % de matière ordinaire) doit être constituée de matière noire. À ce jour, sa vraie nature demeure toujours mystérieuse.

C’est en observant la collision entre quatre galaxies que les chercheurs ont découvert l’éloignement progressif d’un réservoir de matière noire par rapport à la galaxie qu’il entoure. La matière noire se situe en effet à quelque 5 000 années-lumière derrière cette galaxie, ce qui représente 50 000 millions de millions de kilomètres ! À titre indicatif, rien moins que 90 millions d’années seraient nécessaires à la sonde Voyager de la NASA pour s’éloigner d’autant de la Voie lactée.

Les théories envisagent un possible éloignement de la matière noire et de la galaxie associée. Pour ce faire, il est nécessaire que la matière noire interagisse avec elle-même, même faiblement, au travers de forces distinctes de la gravitation. Les simulations numériques invitent à penser que la friction supplémentaire causée par la collision pourrait ralentir la matière noire. La nature de cette interaction demeure inconnue ; elle pourrait résulter d’effets bien connus ou d’une force exotique encore inconnue. À ce stade toutefois, il est possible d’affirmer que la gravitation n’est en rien responsable de ce ralentissement. Jusqu’à présent, personne n’avait encore observé l’existence d’interactions autres que gravitationnelles au sein de la matière noire.

Cette image acquise par le Télescope Spatial Hubble du consortium NASA/ESA montre le riche amas galactique Abell 3827. Les étranges structures de couleur bleue qui entourent les galaxies centrales constituent des vues magnifiées, par effet de lentille gravitationnelle, d'une galaxie plus lointaine située derrière l'amas. Des observations de la fusion des quatre galaxies centrales ont démontré que la matière noire entourant l'une des galaxies ne suit pas le mouvement de la galaxie elle-même. Ce résultat permet d'envisager la possible existence d'interactions matière noire – matière noire de nature inconnue
Cette image acquise par le Télescope Spatial Hubble du consortium NASA/ESA montre le riche amas galactique Abell 3827. Les étranges structures de couleur bleue qui entourent les galaxies centrales constituent des vues magnifiées, par effet de lentille gravitationnelle, d’une galaxie plus lointaine située derrière l’amas. Des observations de la fusion des quatre galaxies centrales ont démontré que la matière noire entourant l’une des galaxies ne suit pas le mouvement de la galaxie elle-même. Ce résultat permet d’envisager la possible existence d’interactions matière noire – matière noire de nature inconnue

Richard Massey de l’Université de Durham, auteur principal de cette étude, avance une première explication : « Nous percevons communément la matière noire comme un objet immobile, voire inerte, qui se contente d’exercer une attraction gravitationnelle sur son environnement proche. Mais le fait qu’elle ait été ralentie durant cette collision pourrait bien constituer la toute première preuve de l’existence d’une physique propre à ce côté obscur : l’Univers caché qui nous entoure. »

Les chercheurs soulignent la nécessité de rechercher d’autres causes possibles de ce décalage spatial. De semblables observations d’un plus grand nombre de galaxies, ainsi que des simulations numériques de collisions galactiques, sont ainsi requises.

Liliya Williams de l’Université du Minnesota, membre de l’équipe, estime que « la façon dont la matière noire interagit gravitationnellement, contribuant à sculpter l’Univers, atteste de son existence. Toutefois, sa véritable nature nous échappe encore. Nos observations suggèrent la possibilité que la matière noire interagisse par le biais d’autres forces que la gravitation. Elles permettent donc d’exclure certaines hypothèses clés concernant sa vraie nature ».

Cette conclusion s’inscrit dans la continuité des résultats d’une étude récente menée par cette même équipe. Au vu de cette étude, qui consistait en l’observation de 72 collisions entre amas galactiques, il est apparu que la matière noire interagissait très peu avec elle-même. Toutefois, le présent travail s’intéresse au mouvement des galaxies individuelles, non à celui des amas de galaxies. Aux dires des chercheurs, il est fort possible que les collisions entre ces galaxies aient duré plus longtemps que les collisions ayant fait l’objet d’une observation dans le cadre de la précédente étude, permettant ainsi aux effets d’une force de frottement, même de faible amplitude, de s’accumuler au fil du temps et d’engendrer un décalage mesurable. La durée de la collision constitue la principale inconnue du problème : la force de frottement responsable du ralentissement de la matière noire peut être de très faible intensité et avoir agi durant un milliard d’années, ou bien au contraire être de forte intensité et n’avoir agi qu’une centaine de millions d’années.

Considérés simultanément, les résultats issus de ces deux études permettent, pour la toute première fois, « d’encadrer » le comportement de la matière noire. Celle-ci interagit davantage que prévu, mais moins qu’attendu. Richard Massey concluant : « Nous sommes enfin en mesure de délimiter les propriétés de la matière noire, notre connaissance naviguant dans l’une et l’autre direction ».

Crédit photo et vidéo : ESO.

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