Simulation informatique d’une partie de l’univers avec et sans axions, montrant que la structure de la toile cosmique de matière noire est moins grumeleuse si elle contient des axions. À l’échelle, la Voie lactée se trouverait à l’intérieur de l’un des petits points verts appelés halos. Crédit : Alexander Spencer London/Alex Laguë.
Des chercheurs proposent dans une nouvelle étude que l’absence d’agrégats dans l’univers suggère que la matière noire est composée d’hypothétiques particules ultra-légères appelées axions. Si cette hypothèse est confirmée, elle pourrait avoir de vastes répercussions sur notre compréhension de l’univers et pourrait même étayer la théorie des cordes.
Dans une étude publiée le 14 juin dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, des chercheurs de l’université de Toronto révèlent une avancée théorique qui pourrait expliquer à la fois la nature de la matière noire invisible et la structure à grande échelle de l’univers connue sous le nom de toile cosmique. Ce résultat établit un nouveau lien entre ces deux problèmes de longue date en astronomie, ouvrant de nouvelles possibilités pour comprendre le cosmos.
La recherche suggère que le « problème de l’agglutination », qui se concentre sur la distribution étonnamment uniforme de la matière à grande échelle dans le cosmos, pourrait être un signe que la matière noire est composée d’hypothétiques particules ultra-légères appelées axions. Les implications de la démonstration de l’existence d’axions difficiles à détecter vont au-delà de la compréhension de la matière noire et pourraient répondre à des questions fondamentales sur la nature même de l’univers.
Carte des galaxies de l’univers local vue par le Sloan Digital Sky Survey, utilisée par les chercheurs pour tester la théorie de l’axion. Chaque point correspond à la position d’une galaxie et la Terre se trouve au centre de la carte. Crédit : Sloan Digital Sky Survey
« Si elle est confirmée par de futures observations au télescope et expériences en laboratoire, la découverte de la matière noire axion serait l’une des plus importantes de ce siècle », déclare l’auteur principal Keir Rogers, Dunlap Fellow à l’Institut Dunlap d’astronomie et d’astrophysique de la Faculté des arts et des sciences de l’Université de Toronto. « En même temps, nos résultats suggèrent une explication sur la raison pour laquelle l’univers est moins agglutiné que nous le pensions, une observation qui est devenue de plus en plus claire au cours de la dernière décennie et qui laisse actuellement notre théorie de l’univers incertaine ».
En façonnant l’univers, la gravité construit une vaste structure de filaments, semblable à une toile d’araignée, qui relie les galaxies et les amas de galaxies le long de ponts invisibles de plusieurs centaines de millions d’années-lumière de long. C’est ce qu’on appelle la toile cosmique. Crédit : Volker Springel (Max Planck Institute for Astrophysics) et al.
La matière noire, qui représente 85 % de la masse de l’univers, est invisible car elle n’interagit pas avec la lumière. Les scientifiques étudient ses effets gravitationnels sur la matière visible afin de comprendre comment elle est répartie dans l’univers.
Une théorie de pointe propose que la matière noire soit constituée d’axions, décrits en mécanique quantique comme « flous » en raison de leur comportement ondulatoire. Contrairement aux particules ponctuelles discrètes, les axions peuvent avoir des longueurs d’onde plus grandes que des galaxies entières. Ce caractère flou influe sur la formation et la distribution de la matière noire, ce qui pourrait expliquer pourquoi l’univers est moins touffu que ce qui est prévu dans un univers sans axions.
Simulation informatique d’une partie de l’univers avec et sans axions, montrant que la structure de la toile cosmique de matière noire est moins grumeleuse si elle contient des axions. À l’échelle, la Voie lactée se trouverait à l’intérieur d’un des petits points verts appelés halos. Crédit : Alexander Spencer London/Alex Laguë
Cette absence d’agrégat a été observée dans de vastes études de galaxies, ce qui remet en question l’autre théorie dominante, selon laquelle la matière noire ne serait constituée que de particules subatomiques lourdes à faible interaction, appelées WIMPs. Malgré des expériences telles que le Grand collisionneur de hadrons, aucune preuve de l’existence des WIMP n’a été trouvée.
Keir Rogers, auteur principal de l’étude et Dunlap Fellow à l’Institut Dunlap pour l’astronomie et l’astrophysique. Crédit : avec l’aimable autorisation de Keir Rogers
« En science, c’est lorsque les idées s’effondrent que l’on fait de nouvelles découvertes et que l’on résout des problèmes anciens », explique Keir Rogers.
Pour l’étude, l’équipe de recherche – dirigée par Rogers et comprenant des membres du groupe de recherche de Renée Hložek, professeur associé à l’Institut Dunlap, ainsi que de l’Université de Pennsylvanie, de l’Institute for Advanced Study, de l’Université Columbia et du King’s College de Londres – a analysé les observations de la lumière relique du Big Bang, connue sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB), obtenues dans le cadre des relevés Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope et South Pole Telescope. Les chercheurs ont comparé ces données CMB avec les données de regroupement de galaxies issues de l’étude spectroscopique des oscillations baryoniques (BOSS), qui cartographie les positions d’environ un million de galaxies dans l’univers proche. En étudiant la distribution des galaxies, qui reflète le comportement de la matière noire sous l’effet des forces gravitationnelles, ils ont mesuré les fluctuations de la quantité de matière dans l’univers et confirmé qu’elle était moins dense que prévu.
Les chercheurs ont ensuite effectué des simulations informatiques pour prédire l’apparition de lumière relique et la distribution des galaxies dans un univers avec de longues ondes de matière noire. Ces calculs se sont alignés sur les données CMB du Big Bang et sur les données relatives au regroupement des galaxies, étayant l’idée que les axions flous pourraient expliquer le problème de l’agglutination.
Les recherches futures impliqueront des études à grande échelle pour cartographier des millions de galaxies et fournir des mesures précises de l’agglutination, y compris des observations au cours de la prochaine décennie avec l’observatoire Rubin. Les chercheurs espèrent comparer leur théorie aux observations directes de la matière noire par le biais de l’effet de lentille gravitationnelle, un effet où l’agglutination de la matière noire est mesurée par l’ampleur de la courbure de la lumière provenant de galaxies distantes, un peu comme une loupe géante. Ils prévoient également d’étudier comment les galaxies expulsent du gaz dans l’espace et comment cela affecte la distribution de la matière noire afin de confirmer leurs résultats.
Comprendre la nature de la matière noire est l’une des questions fondamentales les plus urgentes et la clé pour comprendre l’origine et l’avenir de l’univers.
À l’heure actuelle, les scientifiques ne disposent pas d’une théorie unique qui explique simultanément la gravité et la mécanique quantique – une théorie du tout. La théorie du tout la plus populaire au cours des dernières décennies est la théorie des cordes, qui postule un niveau inférieur au niveau quantique, où tout est fait d’excitations d’énergie semblables à des cordes. Selon M. Rogers, la détection d’une particule d’axion floue pourrait être un indice de la justesse de la théorie des cordes.
« Nous disposons aujourd’hui d’outils qui pourraient nous permettre de comprendre enfin expérimentalement quelque chose au mystère centenaire de la matière noire, même au cours de la prochaine décennie, et qui pourraient nous donner des indices sur des questions théoriques encore plus vastes », déclare M. Rogers. « L’espoir est que les éléments déroutants de l’univers puissent être résolus.
Référence : « Ultra-light axions and the S8 tension : joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering » par Keir K. Rogers, Renée Hložek, Alex Laguë, Mikhail M. Ivanov, Oliver H.E. Philcox, Giovanni Cabass, Kazuyuki Akitsu et David J.E. Marsh, 14 juin 2023, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/06/023
National Aeronautics and Space Administration, Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, famille David Dunlap et Université de Toronto, Connaught Fund.