Située dans la constellation de la Grande Ourse, à environ 21 millions d’années-lumière de notre Voie lactée, M101 est une galaxie spirale très étudiée. On la voit ici observée avec Hubble. © Nasa, Esa

Sciences

La matière noire pourrait briller faiblement dans les halos des galaxies

ActualitéClassé sous :matière noire , cosmologie , Dragonfly telescope array

L'hypothèse n'est pas souvent étudiée pourtant les particules de matière noire pourraient être capables d'émettre de la lumière, très faiblement. Le grand cosmologiste Joseph Silk et l'un de ses collègues viennent d'ailleurs d'explorer la possibilité que la matière noire dans les halos des galaxies spirales luise d'une façon bien caractéristique sous l'effet du rayonnement émis par les étoiles. On dispose donc d'un outil supplémentaire pour découvrir les énigmatiques particules qui la constituent.

Interview : quelles particules composent la matière noire ?  Selon les calculs et les observations, il existerait dans l'espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd'hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu'il nous en dise plus sur cette matière noire. 

Les dernières analyses des données de Planck confirment que la matière noire est un ingrédient essentiel et incontournable pour comprendre les caractéristiques du rayonnement fossile. Malheureusement, les particules qui la composent ne se sont toujours pas montrées aussi bien directement dans les collisions de faisceaux de protons au LHC, qui va bientôt redémarrer, qu'indirectement dans les rayons cosmiques étudiés avec AMS.

Il existe bien sûr une alternative tout à fait viable au modèle de la matière noire froide lorsque l'on veut décrire uniquement le comportement des étoiles dans les galaxies, la théorie Mond. Mais pour le moment, elle ne permet pas vraiment de rendre compte de la naissance des grandes structures dans l'univers observable et elle échoue pour décrire les observations concernant le fond de rayonnement diffus cosmologique.

Joseph Silk est l’un des pionniers de la cosmologie moderne. Ses travaux de recherche couvrent de vastes domaines de la cosmologie, de l’origine des fluctuations de densité qui ont donné naissance aux grandes structures de l’Univers jusqu’à la formation et l’évolution des galaxies en passant par la nature de la matière noire. © University of Oxford

Des particules de matière noire exotiques

Les astrophysiciens, les cosmologistes et les physiciens des particules explorent donc un vaste zoo de modèles de particules, au-delà du modèle standard, qui pourraient rendre compte de l'existence de la matière noire. Les spécialistes affirment souvent que ces particules sont totalement insensibles au champ électromagnétique auquel elles ne se couplent pas, ce qui justifie d'ailleurs le nom de matière noire puisque cette dernière ne peut pas non plus émettre de lumière.

En fait, c'est inexact. Il a ainsi été proposé l'existence de particules possédant une très faible fraction de la charge électrique élémentaire et qui émettraientdonc difficilement de grandes quantités de lumière. On a cherché notamment à mettre en évidence des millifermions possédant une charge au moins mille fois plus petite que celle d'un électron, mais sans succès jusqu'à présent. Il existe encore d'autres propositions exotiques comme des particules possédant un anapole, un moment magnétique toroïdal.

L'un des grands cosmologistes, Joseph Silk vient récemment de se pencher avec son collègue Jonathan Davis de l'institut d'astrophysique de Paris sur certaines conséquences possibles de modèles de particules qui ne seraient pas totalement insensibles au champ électromagnétique et donc pas complètement noires. Les deux chercheurs ont exposé leurs idées dans un article déposé comme il se doit sur arxiv.

Les observations des courbes de vitesse de révolution v(r) des étoiles autour du centre de leur galaxie à une distance r montrent qu'elles tournent trop vite si on se base sur la loi de la gravitation de Newton ou sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. C'est l'une des preuves de l'existence de la matière noire. © Gianfranco Bertone

De la matière noire brillante dans l'infrarouge

Ils se sont concentrés sur l'hypothèse que ces particules seraient parfois, bien que rarement, capables d'entrer en collision avec des photons qu'elles diffuseraient. Afin de tester de façon concrète cette hypothèse, les chercheurs ont considéré des observations faites avec une galaxie spirale bien connue, M101, aussi appelée NGC 5457 ou encore la galaxie du Moulinet. Située dans la constellation de la Grande Ourse, à d'environ 21 millions d'années-lumière de notre Voie lactée, sa masse est quelque 10 fois supérieure à celle de notre galaxie.

Si la lumière qu'elle émet naturellement peut entrer en interaction avec le halo de matière noire qui la contient, on devraitégalementpouvoir observer qu'il luit faiblement, à l'image du brouillard entourant une source de lumière.

Effectivement un tel halo de lumière autour de M101 peut être détecté lors d'une observation dans le visible avec les instruments de Dragonfly telescope array. Mais selon Joseph Silk et Jonathan Davis, on ne peut pas écarter l'hypothèse qu'il soit le produit de poussières ou d'étoiles isolées à l'intérieur. Heureusement, leurs calculs indiquent que des observations dans le domaine de l'infrarouge permettraient de départager les deux scénarios et donc de mettre en évidence la présence de la matière noire. Mais on ne dispose pas, pour le moment, des observations nécessaires. Reste que la méthode est prometteuse et devrait pouvoir s'appliquer à d'autres galaxies, par exemple celles qui sont elliptiques.

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