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La caractéristique d’absorption de la lumière par l’hydrogène entourant les premières galaxies pourrait être utilisée comme une nouvelle sonde fraîche dans les mystères de la matière noire et comment elle a affecté l’évolution de l’univers au cours de l’âge sombre cosmique.
Les scientifiques ont longtemps supposé que la matière noire, une substance mystérieuse qui représente environ 85 % de la matière de l’univers, jouait un rôle important dans la formation des premières galaxies. Mais comme la matière noire n’interagit pas avec la lumière (contrairement à la matière « normale » dont sont faits les étoiles, les planètes et nous), sa nature reste inconnue. Cela signifie que le rôle précis qu’ils ont joué lorsque les galaxies ont commencé à se former représente toujours une lacune dans les modèles cosmologiques.
Pour enquêter sur ce mystère, des scientifiques de l’Université du Nord-Est en Chine et des Observatoires astronomiques nationaux de l’Académie chinoise des sciences (NAOC) ont proposé une nouvelle sonde pour faire la lumière à la fois sur la nature de la matière noire et sur la formation précoce des galaxies.
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Une façon possible d’étudier les particules qui composent la matière noire et leur masse consiste à étudier les structures à petite échelle de l’univers. Le problème survient lorsque l’on essaie de faire cela pendant une période appelée « l’aube cosmique », environ 380 millions d’années après le Big Bang, qui correspond à la naissance des premières étoiles. Ainsi, il y avait peu de sources lumineuses viables pour éclairer cette ère ancienne pour les astronomes.
Mais il y avait des atomes à cette époque, sous forme de gaz provenant de l’élément chimique le plus léger, l’hydrogène. Comme tous les éléments, l’hydrogène absorbe la lumière dans des longueurs d’onde distinctes, laissant sa marque sur la lumière qui le traverse.
À la recherche de matière noire dans une jungle cosmique
L’hydrogène gazeux atomique dans et autour des minuscules structures qui existaient pendant l’aube cosmique, qui s’est terminée environ un milliard d’années après le Big Bang, crée des lignes d’absorption distinctes à 21 cm, dans la gamme radio du spectre électromagnétique. Collectivement, ceux-ci sont appelés la forêt de 21 cm, qui a été proposée comme sonde possible de la température du gaz et de la matière noire pendant l’aube cosmique pendant plus de 20 ans.
Cela n’est cependant resté qu’un concept théorique, car la lumière de cette époque a voyagé pendant environ 13,4 milliards d’années pour nous atteindre. En cours de route, il a perdu de l’énergie, étirant sa longueur d’onde et abaissant sa fréquence, le déplaçant vers le bas du spectre électromagnétique vers la région rouge et au-delà dans l’infrarouge.
Plus la source de lumière est éloignée, plus le processus de « décalage vers le rouge » est extrême. Sans la lumière des étoiles, utiliser la forêt de 21 centimètres comme sonde de matière noire nécessiterait de voir des sources très bruyantes comme des quasars à l’aube cosmique, et donc à un décalage vers le rouge élevé. Mais les signaux de ces sources radio de cette époque sont plus faibles et il est difficile d’identifier des sources de fond à décalage vers le rouge aussi élevés.
Cependant, cette situation pourrait être sur le point de changer. Non seulement un certain nombre de quasars à décalage vers le rouge élevé ont été découverts récemment, mais le plus grand radiotélescope du monde, le Square Kilometre Array (SKA), a commencé sa construction en Australie et en Afrique du Sud en décembre 2022 et ouvrira bientôt son œil radio sensible dans l’univers. Cela indique que la découverte et l’utilisation de la forêt de 21 centimètres pourraient bientôt être possibles.
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L’équipe à l’origine de la nouvelle étude estime que la mesure de la distribution énergétique de la forêt de 21 centimètres, ou son « spectre énergétique », en ferait une sonde raisonnable pour mesurer simultanément les propriétés de la matière noire et l’histoire thermique de l’univers.
Cela peut aider les chercheurs à faire la distinction entre le modèle de matière noire froide de l’univers – celui avec des particules massives de matière noire qui se déplacent lentement par rapport à la vitesse de la lumière – et le modèle de matière noire chaude, avec des particules de matière noire plus légères et plus rapides.
« En mesurant le spectre d’énergie unidimensionnel d’une forêt de 21 centimètres, nous pouvons non seulement rendre la sonde vraiment réalisable en augmentant la sensibilité, mais également fournir un moyen de faire la distinction entre les effets des modèles de matière noire chaude et le processus de chauffage précoce. « , a déclaré le chercheur des Observatoires astronomiques nationaux Yidong Xu, auteur. Contrairement à la nouvelle étude. « Nous pourrons faire d’une pierre deux coups !
Tant que le chauffage cosmique n’était pas trop intense pendant l’aube cosmique, les capacités à basse fréquence de la première étape des processus SKA devraient permettre aux scientifiques de limiter la masse des particules de matière noire et la température du gaz. Si l’échauffement cosmique est trop important, la deuxième étape de SKA verra un instrument se dilater, entraînant l’utilisation de multiples sources radio de fond qui présentent les mêmes limitations.
Étant donné que l’utilisation potentielle de la forêt de 21 cm comme sonde de matière noire est liée aux observations de sources radio à décalage vers le rouge élevé, la prochaine étape de cette recherche consiste à identifier davantage de sources de rayonnement radio pendant l’aube cosmique, y compris plus de sources radio à haute quasars et rémanences Rayons gamma.
Ces sources pourront ensuite être poursuivies une fois que SKA commencera à observer l’univers en 2027, permettant aux astronomes d’éclairer davantage les mystères de la matière noire et des premières galaxies.
Les recherches de l’équipe sont présentées dans le numéro du 6 juillet de la revue Nature Astronomy.
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