Notre Univers se compose de matière dite « ordinaire » qui va constituer tout ce qui nous entoure comme les atomes de notre corps, les étoiles ou les planètes. Afin d’expliquer certaines observations du cosmos, il existerait une autre matière, appelée matière noire, car elle ne rayonne pas dans l’Univers, ne réfléchit ni n’émet la lumière (n’interagit pas avec la force électromagnétique).
On la nomme matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, une forme de matière hypothétique, apparemment indétectable, d’ou ce nom de noire invoquée pour rendre compte d’effets inattendus, notamment au sujet de la forme des galaxies. Celles-ci, si elles n’étaient constituées que de matière ordinaire, se seraient tres vite dispersées faute d’une masse gravitationnelle suffisante.
Différentes hypothèses ont été émises et explorées sur la composition de cette hypothétique matière noire : gaz divers, étoiles mortes, naines brunes , trous noirs, etc. Cependant, le manque d’observations directes) impliquerait plutôt une nature non-baryonique (non constituée d’atomes), et donc encore inconnue, encore que l’on soupçonne fortement des super-partenaires tels que le neutralino et autres particules exotiques telle . Ces particules exotiques sont regroupées sous le nom générique de WIMP, acronyme de l’anglais Weakly interacting massive particles.
La matière noire aurait une abondance au moins cinq fois plus importante que la matière baryonique, pour constituer de 83 % à 90 % de la densité totale de l’Univers observable, selon les modèles de formation et d’évolution des galaxies, ainsi que les modèles cosmologiques.
Or, dans une nouvelle étude, des chercheurs ont établi une théorie novatrice qui pourrait éclairer sur la nature insaisissable de la matière noire et la structure de l’Univers à grande échelle, dite grumeleuse. Ils suggèrent que des axions, des particules ultra-légères, pourraient être leur liant. Si cette hypothèse se révélait fondée, elle permettrait de résoudre l’énigme de la matière noire et de la structure de l’Univers. Ce pourrait donc être l’une des découvertes les plus significatives de ce siècle.
Publiée dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, l’étude, menée à l’Université de Toronto, suggère que la « problématique des grumeaux » – la distribution inattendue de la matière à travers l’Univers, en amas de galaxies et galaxies- est liée à la présence d’axions. Selon l’auteur principal de l’étude, Keir Rogers, trouver de la matière noire sous forme d’axions serait une véritable révolution scientifique.
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Les axions, décrits comme « flous » en mécanique quantique, peuvent avoir des longueurs d’onde plus grandes que des galaxies entières. Cette particularité influence la formation et la distribution de la matière noire, et pourrait expliquer pourquoi l’Univers est moins grumeleux que prévu.
Pour cette étude, l’équipe de recherche a analysé des observations du Fond diffus cosmologique (CMB), obtenues à partir de diverses sources. Ils ont ensuite comparé ces données avec celles du Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), qui cartographie la position d’environ un million de galaxies dans l’Univers proche.
L’analyse des fluctuations de la quantité de matière à travers l’Univers a confirmé sa répartition moins grumeleuse que prévue. Des simulations informatiques ont prédit l’apparence de la lumière rémanente et la distribution des galaxies dans un Univers avec des axions. Ces calculs coïncident avec les données du CMB et les données de regroupement des galaxies, soutenant l’idée que les axions « flous » pourraient être à l’origine de l’aspect grumeleux.
Note.
Dans la formation de l’Univers, la gravité construit une structure vaste et en forme de toile d’araignée de filaments reliant les galaxies et les amas de galaxies le long de ponts invisibles de centaines de millions d’années-lumière de long. On appelle cela le réseau cosmique.
Pour Keir Rogers, l’un des auteurs de l’étude, la détection d’une particule d’axion floue pourrait donner des indices sur la justesse de la théorie des cordes, qui a dominé la recherche d’une théorie du tout au cours des dernières décennies. Nous ne saurions ici aborder cette dernière question. Quant à la détection d’une particule d’axion floue, à supposer qu’elle soit possible, il faudra attendre un peu.
Référence
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
Ultra-light axions and the S8 tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2023/06/023
Published 14 June 2023
The Author(s)Keir K. Rogers, Renée Hložek, Alex Laguë, Mikhail M. Ivanov, Oliver H.E.Philcox, GiovanniCabass, Kazuyuki Akitsu5 and David J.E. Marsh
Abstract
We search for ultra-light axions as dark matter (DM) and dark energy particle candidates, for axion masses 10-32 eV ≤ ma ≤ 10-24 eV, by a joint analysis of cosmic microwave background (CMB) and galaxy clustering data — and consider if axions can resolve the tension in inferred values of the matter clustering parameter S8. We give legacy constraints from Planck 2018 CMB data, improving 2015 limits on the axion density Ωah2 by up to a factor of three; CMB data from the Atacama Cosmology Telescope and the South Pole Telescope marginally weaken Planck bounds at ma = 10-25 eV, owing to lower (and theoretically-consistent) gravitational lensing signals. We jointly infer, from Planck CMB and full-shape galaxy power spectrum and bispectrum data from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), that axions are, today, < 10% of the DM for ma ≤ 10-26 eV and < 1% for 10-30 eV ≤ ma ≤ 10-28 eV. BOSS data strengthen limits, in particular at higher ma by probing high-wavenumber modes (k < 0.4h Mpc-1). BOSS alone finds a preference for axions at 2.7σ, for ma = 10-26 eV, but Planck disfavours this result. Nonetheless, axions in a window 10-28 eV ≤ ma ≤ 10-25 eV can improve consistency between CMB and galaxy clustering data, e.g., reducing the S8 discrepancy from 2.7σ to 1.6σ, since these axions suppress structure growth at the 8h-1 Mpc scales to which S8 is sensitive. We expect improved constraints with upcoming high-resolution CMB and galaxy lensing and future galaxy clustering data, where we will further assess if axions can restore cosmic concordance.
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