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La longue, très longue vie de la matière noire

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La matière noire pourrait être constituée de particules hypothétiques, les axions. L'hypothèse, émise depuis longtemps, vient de se voir renforcée par des observations effectuées sur des amas de galaxies en plein carambolage. Au passage, on en conclut que cette matière mystérieuse est restée presque intacte depuis la naissance de l'Univers.

Bullet Cluster vu par Chandra. Crédit Nasa

Tout ce que l'Homme peut observer dans le ciel, à l'œil nu ou au moyen d'instruments de plus en plus sophistiqués et puissants, telles planètes, étoiles, galaxies, ne constituent qu'une toute petite partie de l'Univers. Depuis les années 1970, les astronomes savent que plus de 85 % de sa masse totale reste complètement invisible, n'émettant ni ne réfléchissant aucune lumière ni autre radiation. Cette matière omniprésente et mystérieuse, qui ne peut être mise en évidence que par la force d'attraction qu'elle exerce sur les autres objets, est nommée pour cette raison la "matière noire".

L'analyse des galaxies, ainsi que de leur comportement dans les amas galactiques, a permis d'arriver à cette quantification qui défie l'imagination, puisqu'elle signifie que nous ne savons pas grand-chose sur ce qui nous entoure... Même si les tentatives d'explication ne manquent pas, aucune n'a jusqu'à présent fait l'unanimité des chercheurs.

De nouveaux indices

L'astrophysicien Signe Riemer-Sørensen, du Niels Bohr Institute, vient d'apporter un nouvel indice qui pourrait s'avérer déterminant dans la compréhension de cette énigme. Pour cela, il a analysé les observations d'une collision d'amas de galaxies, nommée Bullet Cluster, en rayonnement X.

Lorsque deux amas de galaxies se heurtent, l'écart entre les objets qui les composent est tel qu'il y a interpénétration sans réelle collision. Cependant, environ 12 % de leur masse est représentée par des gaz interstellaires et ceux-ci se heurtent violemment, en s'échauffant et émettant du rayonnement X. La matière noire n'émet pas de type de rayonnement, du moins pas lors de cet événement.

Cependant, parmi les candidats au poste de constituant principal de la matière noire, figurent en bonne place les axions, qui auraient la particularité d'émettre en X lors de leur lente dégradation. Détecter cette émission reviendrait donc à mettre directement en évidence la présence de matière noire.

Pour cela, les chercheurs ont entrepris de scruter les endroits vides de gaz, celui-ci ayant déjà été éjecté lors de la collision, et donc susceptibles de ne plus contenir que de la matière noire, dont la présence en abondance est confirmée par la mesure des forces d'attraction se jouant entre les galaxies.

Vue d'ensemble de Bullet Cluster, formé de deux amas de galaxies en collision. Les courbes rouges montrent les mesures de la gravité de la masse formée en partie par la matière visible, en partie par la matière noire. Les mesures de rayonnement X indiquent que les nuages de gaz ont été éliminés entre les deux amas lors de la collision. La partie de droite montre une forte densité de matière noire mais très peu ou pas de rayonnement X, trahissant une très lente dégradation des particules qui la composent. Crédit : Niels Bohr Institute.

Signe Riemer-Sørensen a soigneusement exploré cette possibilité, mais aucune émission en rayonnement X n'a été détectée. En se basant sur l'hypothèse de matière noire constituée d'axions, il est possible d'en déterminer une limite supérieure de la vitesse de dégradation et il apparaît alors que celle-ci doit avoir une espérance de vie de plus de 3 milliards d'années, ce qui implique que seule une très faible proportion s'est dégradée depuis la formation de l'Univers, voici 13,7 milliards d'années. La conclusion est que les particules composant cette mystérieuse substance ont une longue, très longue durée de vie.

Ci-dessous : 
Image en rayonnement X de Bullet Cluster obtenue au moyen du télescope spatial Chandra. La matière noire crée un potentiel de gravité (courbes rouges) trahi par les mouvements des particules dans les régions plus denses (cercles blancs), dont l'émission X peut être comparée à une région de référence (cercles verts) pour évaluer la durée de vie de la matière noire d'origine axionique. Crédit Nasa