Un nouveau lien a été découvert entre la matière noire et les amas de l’univers

Dans une nouvelle étude, des chercheurs suggèrent que le manque de masse de l’univers indique que la matière noire est composée d’hypothétiques particules ultra-légères appelées axions. Si cela est confirmé, cela pourrait avoir de vastes implications pour notre compréhension de l’univers et pourrait même fournir un soutien à la théorie des cordes.

Dans une étude publiée le 14 juin dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticulesDes chercheurs de l’Université de Toronto ont révélé une percée théorique qui pourrait expliquer à la fois la nature invisible de la matière noire et la structure à grande échelle de l’univers connue sous le nom de toile cosmique. Le résultat établit un nouveau lien entre ces deux problèmes de longue date en astronomie, ouvrant de nouvelles possibilités pour comprendre l’univers.

La recherche suggère que le « problème d’agrégation », qui s’articule autour d’une répartition uniforme inattendue de la matière à grande échelle dans l’univers, peut être un signe que la matière noire est composée d’hypothétiques particules ultra-légères appelées axions. Les implications de prouver l’existence d’axes difficiles à détecter vont bien au-delà de la compréhension de la matière noire et pourraient répondre à des questions fondamentales sur la nature de l’univers lui-même.

Une carte des galaxies dans l’univers local vue par le Sloan Digital Sky Survey, que les chercheurs ont utilisé pour tester la théorie de l’axion. Chaque point est un emplacement galactique et la Terre est au milieu de la carte. Crédit : Sloan Digital Sky Survey

« Si cela est confirmé par de futures observations de télescopes et des expériences de laboratoire, la découverte de matière noire à partir d’axions sera l’une des découvertes les plus importantes de ce siècle », déclare l’auteur principal Keir Rogers, boursier Dunlap au Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics du College of Arts et astrophysique des sciences à l’Université de Toronto. . « Dans le même temps, nos résultats indiquent une explication de la raison pour laquelle l’univers est moins grumeleux que nous le pensions, une observation qui est devenue de plus en plus évidente au cours de la dernière décennie environ, et laisse actuellement notre théorie de l’univers incertaine. »

En façonnant l’univers, la gravité construit une structure semblable à une toile d’araignée de filaments qui relient les galaxies et les amas de galaxies le long de ponts invisibles longs de centaines de millions d’années-lumière. C’est ce qu’on appelle la toile cosmique. Crédit : Volker Sprengel (Institut Max Planck d’astrophysique) 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 les effets de la gravité sur la matière visible pour comprendre comment elle se répartit dans l’univers.

Une théorie de premier plan 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 longues que des galaxies entières. Ce flou affecte la composition et la distribution de la matière noire, ce qui peut expliquer pourquoi l’univers est moins grumeleux que ce à quoi on pourrait s’attendre dans un univers sans axes.

Une simulation informatique d’une partie de l’univers avec ou sans axes montrant comment la structure de la toile cosmique de matière noire est moins grumeleuse si elle a des axes. En ce qui concerne la taille, la Voie lactée se trouvera à l’intérieur de l’un des minuscules points verts appelés halos. Crédit : Alexander Spencer London/Alex Lago

Cette absence d’agglutination a été observée dans les études de grandes galaxies, remettant en question l’autre théorie dominante selon laquelle la matière noire se compose uniquement de particules subatomiques lourdes à faible interaction appelées WIMP. Malgré des expériences telles que le Large Hadron Collider, aucune preuve n’a été trouvée pour soutenir l’existence de WIMP.

Keir Rogers, auteur principal de l’étude et boursier Dunlap au Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Keir Rogers

« En science, lorsque les idées sont démêlées, de nouvelles découvertes sont faites et de vieux problèmes sont résolus », explique Rogers.

Pour l’étude, l’équipe de recherche – dirigée par Rogers et comprenant des membres du groupe de recherche du professeur agrégé Rene Hluczek au Dunlap Institute, ainsi que de l’Université de Pennsylvanie, Institute for Advanced Study,[{ » attribute= » »>Columbia University and King’s College London — analyzed observations of relic light from the Big Bang, known as the Cosmic Microwave Background (CMB), obtained from the Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope and South Pole Telescope surveys. The researchers compared these CMB data with galaxy clustering data from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), which maps the positions of approximately a million galaxies in the nearby universe. By studying the distribution of galaxies, which mirrors the behavior of dark matter under gravitational forces, they measured fluctuations in the amount of matter throughout the universe and confirmed its reduced clumpiness compared to predictions.

The researchers then conducted computer simulations to predict the appearance of relic light and the distribution of galaxies in a universe with long dark matter waves. These calculations aligned with CMB data from the Big Bang and galaxy clustering data, supporting the notion that fuzzy axions could account for the clumpiness problem.

Future research will involve large-scale surveys to map millions of galaxies and provide precise measurements of clumpiness, including observations over the next decade with the Rubin Observatory. The researchers hope to compare their theory to direct observations of dark matter through gravitational lensing, an effect where dark matter clumpiness is measured by how much it bends the light from distant galaxies, akin to a giant magnifying glass. They also plan to investigate how galaxies expel gas into space and how this affects the dark matter distribution to further confirm their results.

Understanding the nature of dark matter is one of the most pressing fundamental questions and key to understanding the origin and future of the universe.

Presently, scientists do not have a single theory that simultaneously explains gravity and quantum mechanics — a theory of everything. The most popular theory of everything over the last few decades is string theory, which posits another level below the quantum level, where everything is made of string-like excitations of energy. According to Rogers, detecting a fuzzy axion particle could be a hint that the string theory of everything is correct.

“We have the tools now that could enable us to finally understand something experimentally about the century-old mystery of dark matter, even in the next decade or so—and that could give us hints to answers about even bigger theoretical questions,” says Rogers. “The hope is that the puzzling elements of the universe are solvable.”

Reference: “Ultra-light axions and the S8 tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering” by Keir K. Rogers, Renée Hložek, Alex Laguë, Mikhail M. Ivanov, Oliver H.E. Philcox, Giovanni Cabass, Kazuyuki Akitsu and David J.E. Marsh, 14 June 2023, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/06/023

National Aeronautics and Space Administration, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, David Dunlap family and University of Toronto, Connaught Fund.