Depuis des décennies, la matière noire inquiète des scientifiques. Omniprésente dans l’univers, elle constitue environ 85 % de sa masse totale, mais échappe à tous les instruments de mesure. Invisible à l’œil nu, elle se manifeste uniquement par son attraction gravitationnelle sur la matière visible, celle des étoiles et des galaxies. D’où vient-elle ? De quoi est-elle faite ? Comment interagit-elle avec l’univers visible ?
Pour tenter de percer les secrets de la matière noire, les scientifiques mettent en place des télescopes sophistiqués, des expériences souterraines, des simulations cosmiques poussées. Une étude récemment publiée dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dont on trouvera ci-dessous les références et l’abstract vise à améliorer la compréhension de la matière noire
Contrairement à la matière ordinaire, composée de protons, neutrons et électrons, la matière noire ne se laisse pas observer par nos instruments. Elle ne rayonne ni n’absorbe la lumière. Elle se dévoile uniquement par son influence gravitationnelle sur la matière visible, comme les étoiles et les galaxies. C’est grâce à cette attraction gravitationnelle que les scientifiques ont pu déduire son existence et estimer sa masse.
L’idée de l’existence de la matière noire a été proposée pour la première fois dans les années 1930 par l’astronome suisse Fritz Zwicky. Toutefois, c’est réellement au cours des dernières décennies que son existence et son importance ont été progressivement confirmées par des observations astronomiques et des analyses théoriques.
Sa composition exacte demeure encore de nos jours un mystère. On ignore si elle est constituée de particules déjà connues ou d’une nouvelle forme de matière. Les hypothèses abondent : axions, WIMPs (Weakly interacting massive particles), neutrinos stériles…
Si son existence est largement admise au sein du modèle cosmologique standard ΛCDM ou Lambda CDM, elle n’en demeure pas moins sujette à de nombreux débats. Le modèle ΛCDM est un cadre théorique constitué à partir des observations et des principes du modèle standard du Big Bang décrivant l’Univers comme principalement composé de matière noire froide (CDM) et d’énergie sombre (Λ) tout en supposant que l’univers soit considéré comme plat dans ses dimensions spatiales.
Cependant certains modèles alternatifs remettent en question la nécessité de la matière noire, la considérant comme un artefact artificiel introduit pour expliquer des observations cosmologiques encore mal comprises. Ces modèles alternatifs sont la théorie de la gravité modifiée ou de gravité scalaire-tenseur, les théories branaires ou les modifications de la relativité générale. Il s’agit d’expliquer les observations cosmologiques sans recourir à la matière noire. Toutefois, n’ont pas encore fait leurs preuves et n’ont pas de quoi rivaliser avec le modèle ΛCDM, qui reste actuellement le modèle dominant en cosmologie.
L’étude dont il était question dans l’introduction, a été menée par des chercheurs de l’UC Irvine et dirigée par Francisco Mercado. Ces derniers ont développé une approche inédite pour apporter de nouveaux éléments à la théorie de l’existence de la matière noire. En s’appuyant sur des simulations informatiques sophistiquées, les chercheurs ont comparé les prédictions de deux modèles : l’un avec matière noire et l’autre sans.
Les simulations ont révélé que de nombreuses caractéristiques observées dans les galaxies réelles, telles que leur distribution et leur mouvement, sont naturellement expliquées par le modèle ΛCDM avec matière noire. En revanche, ces mêmes caractéristiques s’avèrent difficiles à reproduire dans le modèle alternatif sans matière noire. Cette étude apporte donc un soutien supplémentaire au modèle ΛCDM, suggérant que la matière noire joue un rôle crucial dans la structure et l’évolution de l’univers
Même si l’existence de la matière semble aujourd’hui admise, ses propriétés fondamentales et sa composition exacte sont encore sujettes à recherche. Les études récentes comme celles menées par Mercado et son équipe fournissent des preuves solides soutenant son existence.
- Référence
Hooks & Bends in the radial acceleration relation: discriminatory tests for dark matter and MOND
Francisco J Mercado, James S Bullock, Jorge Moreno, Michael Boylan-Kolchin, Philip F Hopkins, Andrew Wetzel, Claude-André Faucher-Giguère, Jenna Samuel
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 530, Issue 2, May 2024, Pages 1349–1362, https://doi.org/10.1093/mnras/stae819
16 April 2024
ABSTRACT
The radial acceleration relation (RAR) connects the total gravitational acceleration of a galaxy at a given radius, atot(r), with that accounted for by baryons at the same radius, abar(r). The shape and tightness of the RAR for rotationally-supported galaxies have characteristics in line with MOdified Newtonian Dynamics (MOND) and can also arise within the cosmological constant + cold dark matter (ΛCDM) paradigm. We use zoom simulations of 20 galaxies with stellar masses of M⋆ ≃ 107–11 M⊙ to study the RAR in the FIRE-2 simulations. We highlight the existence of simulated galaxies with non-monotonic RAR tracks that ‘hook’ down from the average relation. These hooks are challenging to explain in Modified Inertia theories of MOND, but naturally arise in all of our ΛCDM-simulated galaxies that are dark-matter dominated at small radii and have feedback-induced cores in their dark matter haloes. We show, analytically and numerically, that downward hooks are expected in such cored haloes because they have non-monotonic acceleration profiles. We also extend the relation to accelerations below those traced by disc galaxy rotation curves. In this regime, our simulations exhibit ‘bends’ off of the MOND-inspired extrapolation of the RAR, which, at large radii, approach atot ≈ abar/fb, where fb is the cosmic baryon fraction. Future efforts to search for these hooks and bends in real galaxies will provide interesting tests for MOND and ΛCDM.
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