Les plus anciens amas de matière noire observés dans l’Univers ne sont pas comme prévus !

Il a fallu une vingtaine d’années pour que l’on démontre l’existence des neutrinos et une quarantaine pour celle du boson de Brout-Englert-Higgs. Combien de temps faudra-t-il encore pour démontrer l’existence des particules de matière noire ou au contraire pour démontrer leur inexistence ?

Rappelons que le neutrino avait été postulé par Wolfgang Pauli pour maintenir la loi de la conservation de l’énergie dans certaines désintégrations nucléaires qui semblaient la violer. Mais il avait fallu pour cela admettre que l’énergie qui semblait disparaître dans le néant était en fait emportée par une particule sans masse, sans charge électrique et interagissant si peu avec la matière à basse énergie qu’elle pouvait traverser 300 Terre sans s’arrêter. On sait aujourd’hui qu’il y a en fait trois types de neutrinos et qu’ils possèdent des masses, bien que très faibles.

Les particules de matière noire sont tout aussi fantomatiques, mais paradoxalement on en a besoin pour rendre compte de l’existence des galaxies et des structures qui les rassemblent sous forme d’amas contenant de quelques centaines à quelques milliers de galaxies très grossièrement. C’est sous l’effet de leur champ de gravitation que la matière ordinaire s’est effondrée plus rapidement qu’elle aurait dû le faire seule. Nous savons pour diverses raisons que ces particules de matière noire ne ressemblent pas à celles que nous connaissons sur Terre et qui sont notamment produites dans les collisions de protons au LHC, bien qu’on les y traque justement.

Toutefois, même si la matière noire est l’un des piliers du Modèle cosmologique standard, elle pourrait ne pas exister et les observations dont elle rend compte pourraient peut-être s’expliquer aussi en modifiant les équations de la mécanique céleste de Newton. On se demande actuellement si les premières découvertes de galaxies qui semblent très primitives par le télescope James-Webb, car observées comme elles étaient il y a plus de 13 milliards d’années, ne sont pas justement un début de réfutation de la théorie de la matière noire et une confirmation de la théorie Mond.

Une nouvelle surprise à cet égard pointe peut-être le bout de son nez dans un article publié dans Physical Review Letters par une équipe internationale de chercheurs menée par des membres de l’université de Nagoya au Japon. Il traite de certains résultats obtenus avec le télescope japonais Subaru, à Hawaï, dans le cadre de la campagne de recherche du Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), en combinaison avec d’autres observations obtenues par le satellite Planck de l’ESA sous la forme de sa fameuse carte du rayonnement fossile, la plus vieille lumière de l’Univers observable, émise environ 380.000 après le Big Bang en quelques milliers d’années.

Une matière noire qui déforme les images des galaxies

Rappelons d’ailleurs ce que l’astrophysicienne et cosmologiste Laurence Perotto, membre de la collaboration Planck, avait expliqué à Futura dans le dossier qu’elle nous avait permis d’écrire où elle nous expliquait la nature du rayonnement fossile et les analyses qu’elle et ses collègues avaient prévu de faire de ce rayonnement à la recherche de clés fondamentales pour la cosmologie et la physique théorique : « L’effet de lentille gravitationnelle permet de reconstruire le potentiel gravitationnel intégré de la surface de dernière diffusion jusqu’à aujourd’hui. C’est une sonde intéressante des structures de l’Univers. Ainsi, si on parvient à cette reconstruction, Planck deviendrait une expérience autonome sensible à toute l’évolution de l’Univers, de l’univers primordial de l’époque de la dernière diffusion jusqu’à nous. ».

La surface de dernière diffusion est celle d’une sphère fictive entourant tout observateur dans le cosmos observable et lui montrant les régions d’où ont été émis les photons du rayonnement fossile lorsque l’Univers observable est devenu transparent parce que sa densité est devenue si faible que les photons de cette époque pouvaient, dès lors, voyager sans entrer en collision avec des particules chargées qui les diffuseraient sur de larges distances.

L’effet de lentille gravitationnelle évoqué, en l’occurrence celui dit faible ou encore de cisaillement gravitationnel, est un effet de déviation des rayons lumineux par un champ de gravitation conduisant à déformer l’image initiale d’une galaxie par une masse importante interposée entre cette galaxie et un observateur. On peut déduire de la déformation la masse du corps la produisant, de sorte que mesurer des effets de lentille gravitationnelle permet de sonder des distributions de masses dans le cosmos observable, y compris des masses de matière noire qui elle-même ne rayonne pas.

On s’est servi de cet effet pour estimer la présence et les modifications de la répartition de la matière noire jusqu’à il y a environ 8 à 10 milliards d’années en remontant dans le passé. Comme nous l’avait aussi expliqué Laurence Perotto, les effets de lentille gravitationnelle faibles produits par les amas de galaxies et les galaxies en avant-plan de la surface de dernière diffusion contaminent l’étude du rayonnement fossile et il faut en quelque sorte soustraire du signal ce bruit pour remonter à l’état primitif du rayonnement fossile. Cela permet en particulier de traquer les mythiques modes B primitifs de la polarisation du rayonnement fossile. La mise en évidence de ces modes démontrerait de façon convaincante l’existence d’une phase d’inflation vertigineuse de l’expansion de l’espace pendant le Big Bang.

Des amas de matière noire qui se structurent depuis le Big Bang

Mais, comme donc l’avait mentionné la cosmologiste dans l’extrait de son dossier que nous avons donné, la mesure de l’effet de lentille gravitationnelle faible pouvait en théorie nous renseigner sur la présence et les caractéristiques variables dans le temps et l’espace de la matière noire depuis l’apparition des premières galaxies jusqu’à aujourd’hui en utilisant le rayonnement fossile.

L’équipe menée par des Japonais est précisément parvenue à faire des observations de ce genre au-delà des 8 milliards d’années en mesurant les effets des galaxies détectées avec le HSC sur les mesures de Planck du rayonnement fossile. On n’était pas allé plus loin auparavant car les galaxies, dont les images étaient déformées par la gravitation, étaient trop peu lumineuses pour faire des mesures valables.

Mais désormais, les chercheurs peuvent remonter jusqu’à il y environ 12 milliards d’années dans le passé du cosmos observable.

Remarquablement, bien que ce soit encore à confirmer, les caractéristiques des tailles des concentrations de matière noire entre il y a 8 et 12 milliards d’années ne semblent pas suivre les prédictions du Modèle cosmologique standard, les fluctuations de densité de matière noire pendant cette période semblent plus faibles qu’on ne s’y attendait.

Yuichi Harikane, l’un des auteurs de la découverte et Professeur à l’Institute for Cosmic Ray Research de l’université de Tokyo, n’hésite pas à expliquer : « Notre conclusion est encore incertaine. Mais si c’est vrai, cela suggérerait que l’ensemble du modèle est défectueux à mesure que vous remontez plus loin dans le temps. C’est excitant parce que si le résultat tient après la réduction des incertitudes, cela pourrait suggérer une amélioration du modèle qui pourrait fournir la nature de la matière noire elle-même. »

Avec cet objectif en tête, les cosmologistes doivent encore augmenter le volume et la précision des données disponibles, ce qu’ils pourront bientôt faire avec la mise en service de l’observatoire Vera C. Rubin, anciennement appelé le LSST.