04/03/2022. Commencer à « voir » la matière noire

La matière noire ou matière sombre est une forme de matière qui n’a jamais pu être observée directement. D’où son nom. Néanmoins son existence hypothétique permet de rendre compte de certaines observations astrophysiques telles que la masse des galaxies ou les propriétés des fluctuations du fond diffus cosmologique

En ce qui concerne les origines et la composition de la matière noire, différentes hypothèses sont explorées  gaz interplanétaire, étoiles mortes,  naines brunes, trous noirs.etc. Dans le cadre du modèle cosmologique standard, celui-ci est dominé par la matière noire dont on suppose qu’elle est constituée de particules jamais vues sur Terre dans des accélérateurs ou des détecteurs. Elle ne peut interagir avec la matière standard et avec elle-même que par la gravitation.

Cette matière est quasi indispensable pour rendre compte des caractéristiques du rayonnement fossile, soit la première lumière de l’univers, qui a été émise 380 000 ans après le big bang, il y a donc plus de 13 milliards d’années. Elle est également indispensable pour comprendre l’existence des galaxies.

L’étude référencée ci-dessous, dont nous publions ici les références et l’abstract, indique que dans certaine conditions, il serait possible d’observer certains « halos évolutifs » de la matière noire ayant modelé les galaxies depuis l’origine de l’univers.

Référence

Astronomy et Astrophysique. Observational evidence of evolving dark matter profiles at z ≤ 1^⋆

Received: 18 July 2021 Accepted: 11 January 2022

Abstract

Context. In the concordance cosmological scenario, the cold collisionless dark matter component dominates the mass budget of galaxies and interacts with baryons only via gravity. However, there is growing evidence that the former, instead, responds to the baryonic (feedback) processes by modifying its density distribution. These processes can be captured by comparing the inner dynamics of galaxies across cosmic time.

Aims. We present a pilot study of dynamical mass modeling of high redshift galaxy rotation curves, which is capable of constraining the structure of dark matter halos across cosmic time.

Methods. We investigate the dark matter halos of 256 star-forming disk-like galaxies at z ∼ 1 using the KMOS Redshift One Spectroscopic Survey. This sample covers the redshifts 0.6 ≤ z ≤ 1.04, effective radii 0.69 ≤ R_e[kpc] ≤ 7.76, and total stellar masses 8.7 ≤ log(M_star [M_⊙]) ≤ 11.32. We present a mass modeling approach to study the rotation curves of these galaxies, which allow us to dynamically calculate the physical properties associated with the baryons and the dark matter halo. For the former we assume a Freeman disk, while for the latter we employ the NFW (cusp) and the Burkert (cored) halo profiles, separately. At the end, we compare the results of both cases with state-of-the-art galaxy simulations (EAGLE, TNG100, and TNG50).

Results. We find that the “cored” dark matter halo emerged as the dominant quantity from a radius 1–3 times the effective radius. Its fraction to the total mass is in good agreement with the outcome of hydrodynamical galaxy simulations. Remarkably, we found that the dark matter core of z ∼ 1 star-forming galaxies are smaller and denser than their local counterparts.

Conclusions. Dark matter halos have gradually expanded over the past 6.5 Gyrs. That is, observations are capable of capturing the dark matter response to the baryonic processes, thus giving us the first piece of empirical evidence of “gravitational potential fluctuations” in the inner region of galaxies that can be verified with deep surveys and future missions.