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Les masses des neutrinos estimées... grâce aux galaxies

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Les neutrinos sont des particules de matière noire dont l'existence ne fait aucun doute. Elles ont influencé la naissance des galaxies puisqu'elles ont une ou plutôt des masses... dont on ignore toujours les valeurs précise. Un groupe de cosmologistes vient de déterminer une nouvelle borne pour la somme de ces masses en combinant des données issues de la cartographie des galaxies et du rayonnement fossile.

Une coupe dans la carte 3D des centaines de milliers de galaxies répertoriées par le SDSS. La structure en bulles et filaments s'étendant sur des milliards d'années-lumière est bien visible. Crédit : Sloan Digital Sky Survey (SDSS)

On dispose aujourd'hui de preuves extrêmement convaincantes, bien qu'indirectes, de l'existence de la matière noire froide. Récemment, une alternative proposée pour se passer de cette matière en modifiant à grande échelle la loi de Newton, la théorie TeVeS de Bekenstein, a été réfutée. On aimerait bien cependant obtenir des preuves directes de l'existence des particules de matière noire, par exemple en les produisant dans des collisions au LHC ou en les détectant sur Terre dans des expériences comme COUPP ou CDMS.

Il existe pourtant des particules de matière noire pour lesquelles le problème est réglé depuis longtemps : les neutrinos. Environ un milliard de fois plus nombreux que les atomes, ils peuvent traverser des planètes entières sans être arrêtées. Comme ces particules, qui existent sous trois formes, possèdent des masses et ne rayonnent pas, elles sont bel et bien des particules de matière noire dont la présence se fait sentir dans l'Univers par la gravitation.

Précisons toutefois que les neutrinos ne sont pas des particules de matière noire froide et qu'ils sont certainement une composante mineure de la matière noire. Rappelons aussi quelques faits au sujet des modèles de formation des galaxies et amas de galaxies dits avec matière noire froide et avec matière noire chaude.

Les particules de matière noire froide sont massives et se déplacent lentement alors que les particules de matière noire chaude sont légères et se déplacent rapidement. Pendant un certain temps, à partir des années 1970 et du début des années 1980, les deux modèles étaient étudiés par les cosmologistes sans que les observations ne tranchent entre les deux de manière concluante.

Dans le cadre d'un modèle cosmologique avec de la matière noire froide, ce sont les galaxies qui se forment les premières et ensuite s'associent en amas et super-amas de galaxies. Dans le cadre d'un modèle cosmologique avec matière noire chaude, ce sont d'abord des grandes structures qui apparaissent sous forme de nuages de gaz d'une taille au moins supérieure aux superamas de galaxies et qui s'effondrent et se fragmentent ensuite, les galaxies apparaissant en dernier.


Une simulation conduite à partir de travaux publiés en 1990 par David Weinberg et James Gunn montrant la formation des grandes structures dans l'Univers dans le cadre du modèle de matière noire froide. Les galaxies apparaissent les premières et se rassemblent plus tard en superamas formant des filaments. Crédit : Johannes Hidding

Un lien entre masses des neutrinos et petites galaxies

Aujourd'hui, les observations penchent nettement en faveur du modèle de matière noire froide mais il prédit un grand nombre de petites galaxies autour des grandes galaxies, alors qu'elles apparaissent peu nombreuses.

De fait, une petite composante de matière noire chaude inhiberait la formation de structures trop petites. Les neutrinos, qui peuvent être vus comme des particules de matière noire chaude, pourraient aider à expliquer le déficit en galaxies naines, qui pose problème au modèle de la matière noire froide.

Plus généralement, bien que les neutrinos ne soient pas la composante dominante de matière noire dans le cosmos observable, leur influence sur la formation et les caractéristiques des galaxies n'est pas négligeable et dépend des valeurs précises de leurs masses. En gros, plus les neutrinos sont légers moins ils favorisent la formation de petites structures galactiques par effondrement gravitationnel, au contraire.

Cela constitue une opportunité pour les physiciens des hautes énergies.

En effet, des expériences comme Super-Kamiokande et Opera donnent accès aux différences des carrés des masses des neutrinos mais elles ne permettent d'avoir ni une estimation des masses individuelles ni de leur valeur absolue. Or il se trouve que la somme des valeurs de ces masses peut être déterminée en étudiant la distribution 3D des galaxies et leurs caractéristiques et en utilisant les effets de lentille gravitationnelle qu'elles engendrent sur le rayonnement fossile.

L'une des estimations les plus précises en date vient d'être obtenue par Shaun Anthony Thomas lors de son travail de thèse en compagnie de Ofer Lahav et Filipe Abdalla.

Les chercheurs ont analysé les données concernant la distribution à grande échelle de 700.000 galaxies fournies par la campagne d'observation du Sloan Digital Sky Survey (MegaZ LRG) ainsi que celles issues des observations de WMap 5. Ils en ont conclu que la somme des masses des trois neutrinos était inférieure à 0,28 eV, c'est-à-dire au moins trois milliards de fois plus faible que la masse d'un atome d'hydrogène.

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