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La matière noire subirait l'influence de forces inconnues

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Depuis une décennie, des collisions d'amas de galaxies ont fourni des preuves convaincantes de l'existence de la matière noire, même si la messe n'est pas encore dite. Aujourd'hui, une collision de quatre galaxies semble montrer que les particules de matière noire interagissent entre elles par l'intermédiaire de forces inconnues, et pas seulement de la gravitation.

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 agrandies, 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 l'existence d'interactions matière noire – matière noire de nature inconnue. © ESO

Lorsqu'ont été publiés en 2006 les résultats des observations du Bullet cluster (par Hubble, le VLT et Chandra) montrant la collision d'un amas de galaxies, dont 1E0657-56, la crédibilité de la matière noire a fait un bond considérable. On s'attendait alors à identifier rapidement les particules qui la constitue grâce aux collisions réalisées en accélérateurs ou dans des détecteurs enterrés. À l'inverse, la théorie Mond (Modified Newtonian Dynamics) semblait à l'agonie.

Mais presque dix ans plus tard, le mystère subsiste alors que Mond a montré sa pertinence pour décrire les galaxies. Certes, les résultats de la mission Planck sont venus conforter solidement le modèle de la matière noire froide en cosmologie mais les théoriciens s'interrogent, examinant des modèles un peu plus exotiques. Peut-être en saurons-nous plus d'ici l'année prochaine, lorsque le second run du LHC aura fourni suffisamment de collisions entre protons à 13 TeV. En attendant, la cosmologie et l'astrophysique semblent toujours les meilleurs laboratoires pour tenter de résoudre l'énigme de la matière noire... ou réfuter son existence.

Une matière noire tracée par effet de lentille gravitationnelle

En témoigne l'article publié sur arXiv par une équipe d'astronomes qui a combiné des données de l'instrument Muse, qui équipe le VLT de l'ESO au Chili, aux images acquises par le télescope spatial Hubble. Les chercheurs ont examiné de plus près une collision de quatre galaxies dans l'amas Abell 3827. Pour nous, sur Terre, elle se produit devant une autre galaxie dont les rayons lumineux sont déviés par le champ de gravitation de ces quatre objets qui produisent un effet de lentille gravitationnelle. Depuis longtemps, astronomes et astrophysiciens se servent de cet effet pour remonter à la distribution de matière noire ainsi qu'aux valeurs des concentrations de masses qu'elle constitue.

Un zoom sur la collision de quatre galaxies étudiée par les astronomes fourni par le télescope Hubble. Les lignes bleues indiquent la répartition et la densité de matière noire. Ces arcs entourant les galaxies sont produits par un effet de lentille gravitationnelle forte. Pour trois galaxies, les concentrations de matière noire coïncident bien avec celle la matière visible. Mais pour la quatrième, à gauche, les deux sont nettement décalées. © ESO/R. Massey

Une nouvelle physique pour de nouvelles forces ?

Comme pour l'amas 1E0657- 56, on peut raisonner de la façon suivante pour mettre en évidence la présence de la matière noire. Les galaxies sont supposées plongées dans un halo grossièrement sphérique. Lors de collisions entre galaxies, les étoiles et le gaz de matière normale associés à ces galaxies vont se freiner alors qu'il n'en sera pas de même de la matière noire. On va donc détecter par effet de lentille les concentrations les plus élevées de matière noire décalées des galaxies puisqu'elles sont censées poursuivre leurs mouvements en s'interpénétrant sans se freiner.

Ce raisonnement serait parfaitement valide si les particules de matière noire ne pouvaient interagir entre elles que par les forces de gravitation. Mais les théoriciens ont réalisé depuis un certain temps déjà que ces particules interagissent faiblement ou fortement au moyen d'autres forces, inconnues du modèle standard de la physique des particules. En fait, de telles interactions seraient même bien commodes pour rendre compte de certaines observations en cosmologie et en astrophysique qui cadrent mal avec le modèle cosmologique standard.

Or, justement, selon l'astronome Richard Massey de l'université de Durham, les travaux qu'il a menés avec ses collègues sur les caractéristiques de la collision de quatre galaxies dans l'amas Abell 3827, vont dans ce sens. Ils conduisent à postuler l'existence de ces nouvelles forces qui ont conduit les concentrations de matière noire à se freiner tout de même un peu. C'est un résultat très intéressant puisqu'il est complémentaire d'un autre récemment obtenu par Massey et son équipe mais concernant les amas de galaxies. Les chercheurs avaient cette fois-ci conclu que les interactions entre particules de matière noire devaient être plus faibles que celles postulées depuis quelque temps.

Bien que toujours dans l'ombre, la nature de la matière se révèle donc chaque année un peu plus grâce aux contraintes que l'on peut poser sur elle. Mais une détection directe en laboratoire est sans doute la seule façon de mettre fin aux doutes de certains sur son existence et la seule manière aussi de la rattacher de façon non ambiguë à un modèle de nouvelle physique.

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