Exploration de la matière noire et des premières galaxies simultanément avec la forêt de 21 cm. Cette approche peut aider à contraindre les propriétés de la matière noire et fournir des informations sur l’histoire thermique de l’univers. Crédit : NAOC & ; NEU
Exploration simultanée de la matière noire et des premières galaxies brillantes : la sonde forestière de 21 cm pourrait révéler les secrets de l’univers primitif.
Une équipe de recherche commune a proposé une nouvelle façon d’étudier la matière noire et la formation des premières galaxies en utilisant la sonde forestière de 21 cm, un concept jusqu’ici considéré comme théorique. Le projet Square Kilometre Array en cours et la découverte récente de quasars radio-lourds à haut décalage ont rendu cette méthode viable. Cette nouvelle approche pourrait permettre de mieux comprendre l’histoire thermique de l’univers et les propriétés de la matière noire.
Le mystère des premières galaxies de l’univers est un besoin indomptable des êtres humains. La formation de ces galaxies dépend de la nature de la matière noire, qui est également l’un des problèmes les plus importants auxquels est confrontée la physique fondamentale. Cependant, comprendre la nature de la matière noire – par exemple, si elle est froide ou chaude – et son effet ultérieur sur la formation des premières galaxies est un énorme défi.
Une équipe de recherche conjointe de l’université de Northeastern (Chine) et des observatoires astronomiques nationaux de l’Académie chinoise des sciences (NAOC) a proposé d’utiliser une nouvelle sonde pour tenter de faire la lumière sur la nature de la matière noire et la formation précoce des galaxies simultanément.
L’étude de l’équipe a été publiée dans la revue Nature Astronomy le 6 juillet.
Spectre de puissance 1-D simulé de la forêt de 21 cm. Crédit : Shao et al.
L’un des moyens de comprendre la matière noire consiste à essayer de mesurer la masse des particules de matière noire par des observations cosmologiques de structures à petite échelle. Mais il est difficile de détecter des structures à petite échelle dans lesquelles il n’y a jamais eu de formation d’étoiles, en particulier pendant l’aube cosmique. Heureusement, le gaz d’hydrogène atomique à l’intérieur et autour de ces petites structures sombres de l’aube cosmique crée des lignes d’absorption à 21 cm le long des lignes de visée entre la Terre et les sources ponctuelles radio à fort décalage vers le rouge. Ces lignes d’absorption sont connues collectivement sous le nom de forêt de 21 cm.
La sonde de la forêt de 21 cm est un concept théorique proposé il y a plus de 20 ans pour mesurer les températures des gaz et éventuellement les propriétés de la matière noire pendant l’aube cosmique. Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pas tenté d’utiliser cette sonde en raison de nombreux problèmes, notamment l’extrême faiblesse des signaux, la difficulté d’identifier les sources de fond à fort décalage vers le rouge et la dégénérescence entre la masse des particules de matière noire et l’effet de chauffage, qui empêcherait la sonde de déterminer la masse des particules ou l’effet de chauffage à partir des premières galaxies.
Récemment, cependant, un certain nombre de quasars radio-lourds à grand décalage ont été découverts. En outre, la construction du Square Kilometre Array (SKA) – une initiative internationale visant à construire le plus grand radiotélescope du monde – a débuté en décembre dernier. Ces deux développements suggèrent qu’il sera bientôt possible d’utiliser la sonde forestière de 21 cm.
Inspirés par les analyses du spectre de puissance largement utilisées dans les sondes cosmologiques, les chercheurs du NAOC ont réalisé que les dépendances d’échelle distinctes des signaux causés par l’effet de matière noire chaude et l’effet de chauffage, respectivement, pouvaient être utilisées pour extraire statistiquement des caractéristiques clés permettant de distinguer les deux effets.
Dans cette étude, les chercheurs ont proposé une nouvelle solution statistique pour résoudre simultanément le problème du signal faible et celui de la dégénérescence, en mesurant le spectre de puissance unidimensionnel (1-D) de la forêt de 21 cm. La dépendance à l’échelle du signal révélée par l’amplitude et la forme du spectre de puissance 1-D fait de la sonde de la forêt de 21 cm un moyen viable et efficace de mesurer simultanément les propriétés de la matière noire et l’histoire thermique de l’Univers.
« En mesurant le spectre de puissance unidimensionnel de la forêt de 21 cm, nous pouvons non seulement rendre la sonde réellement réalisable en augmentant sa sensibilité, mais aussi fournir un moyen de distinguer les effets des modèles de matière noire chaude et du processus de chauffage précoce », a déclaré XU Yidong, auteur correspondant de l’étude. « Nous pourrons faire d’une pierre deux coups !
Dans les scénarios où le chauffage cosmique n’est pas trop important, le réseau basse fréquence de la phase 1 du SKA sera capable de contraindre efficacement la masse des particules de matière noire et la température du gaz. Dans les cas où le chauffage cosmique est plus important, l’utilisation de plusieurs sources radio d’arrière-plan pendant la phase 2 du SKA permettra des capacités de détection robustes.
La forêt de 21 cm offre un moyen viable de contraindre la matière noire à des décalages vers le rouge hors de portée des autres observations. En mesurant le niveau de chauffage, la forêt de 21 cm permet de contraindre les propriétés spectrales des premières galaxies et des premiers trous noirs, afin de mettre en lumière la nature des premiers objets brillants de l’Univers. L’utilisation de la sonde de la forêt de 21 cm constituera un moyen indispensable pour faire progresser notre compréhension de l’Univers primitif et pour percer les mystères de la matière noire et des premières galaxies.
Étant donné que l’application de la sonde forestière de 21 cm est étroitement liée aux observations des sources radio de fond à fort décalage vers le rouge, la prochaine étape consistera également à identifier d’autres sources radio brillantes à l’aube du cosmos (telles que les quasars radio-lourds et les rémanences de sursauts gamma) qui pourront faire l’objet d’un suivi à l’ère du SKA.
Référence : « The 21-cm forest as a simultaneous probe of dark matter and cosmic heating history » par Yue Shao, Yidong Xu, Yougang Wang, Wenxiu Yang, Ran Li, Xin Zhang et Xuelei Chen, 6 juillet 2023, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-023-02024-7