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Voici à quoi pourrait ressembler la matière noire si nous pouvions la voir

Voici à quoi pourrait ressembler la matière noire si nous pouvions la voir
Une simulation zoomée et générée par ordinateur de la répartition de la matière noire dans l'univers. L'encadré montre des halos de matière noire. © J. Wang, S. Bose/CfA

Comme un squelette, la matière noire donne une structure à l'univers. On pense que cette matière insaisissable représente environ 85% de toute la matière de l'univers. Les scientifiques peuvent mesurer la façon dont sa gravité affecte la matière visible, comme les planètes, les étoiles et les galaxies. Mais elle est appelée noire pour une raison : elle n'interagit pas avec la lumière, ce qui la rend invisible — du moins pour nos technologies d'observation actuelles.

Pour visualiser à quoi ressemblerait la matière noire si nous pouvions la voir, les chercheurs du Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics ont créé une simulation complexe qui imite la composition de l'univers, y compris la matière noire. Selon les chercheurs, c'est la première simulation à modéliser l'univers avec sa matière noire depuis le Big Bang jusqu'à nos jours.

Le résultat est une représentation visuelle de la répartition de la matière noire dans l'univers, un modèle connu sous le nom de "toile cosmique". Il montre comment la matière noire se regroupe en halos reliés par de longs filaments, comme on peut le voir sur l'image ci-dessous. Les scientifiques pensent que le gaz est canalisé le long de ces filaments vers les centres denses des halos, où il s'accumule, pour finalement former des étoiles et des galaxies. Pensez à cela comme à des voitures qui prennent l'autoroute pour se rendre dans les villes.

Une simulation zoomée et générée par ordinateur de la distribution de la matière noire dans l'univers, également appelée "toile cosmique". Les petites taches sphériques dispersées dans l'image sont des halos de matière noire.  J. Wang ; S. Bose/CfA

Personne ne sait avec certitude de quoi est faite la matière noire — ce qui est bien sûr un obstacle lorsqu'on la simule. Les chercheurs ont donc basé leur modèle sur la théorie la plus répandue concernant la matière noire : elle serait constituée de particules massives à faible interaction (WIMP) qui ont une masse 100 fois supérieure à celle des protons ordinaires faiblement chargés.

Outre une meilleure visualisation de la toile cosmique, la simulation a également conduit les scientifiques à découvrir ce qu'ils pensent être une propriété universelle de la matière noire : elle forme constamment les mêmes types de halos.

Ils ont découvert que dans l'ensemble, la matière noire s'organise selon le même schéma de halos. Les halos ont tous une structure similaire, quelle que soit leur taille : ils sont plus denses en leur centre et plus dispersés sur leurs bords.

"Ces halos se sont formés à différentes époques de l'univers, par différents processus, et pourtant ils se comportent de manière prévisible et universelle", a déclaré Sownak Bose, co-auteur d'une étude décrivant les résultats publiée dans la revue Nature, à Business Insider US.

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Les halos que l'équipe de Sownak Bose a simulés ont une masse allant de la taille de la Terre à un quadrillion de fois la masse du Soleil, et ils entourent toutes les galaxies du cosmos. On estime que les plus importants halos pèsent de 10 à 100 fois plus que les galaxies qu'ils entourent.

Pourtant, malgré cet énorme variété de tailles, les halos de matière noire sont remarquablement cohérents, selon Sownak Bose.

"Je pourrais vous montrer l'image d'un amas de galaxies ayant un million de milliards de fois la masse du Soleil, et un halo de masse terrestre un million de fois plus petit que le Soleil, et vous ne seriez pas en mesure de dire lequel est lequel", a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.

Les halos pourraient émettre des rayons gamma détectables

La nouvelle simulation apporte un éclairage particulier sur les petits halos de matière noire, qui n'entourent aucun objet visible que nous pouvons détecter. Alors que les chercheurs peuvent étudier indirectement les grands halos en observant les galaxies qu'ils entourent, la recherche de plus petits halos exige qu'ils tentent de détecter l'énergie libérée lorsque les WIMP s'écrasent les uns contre les autres — un processus appelé annihilation de la matière noire.

Lorsque les WIMP entrent en collision près du centre des halos de matière noire, ils créent une salve de rayons gamma. Les chercheurs pensent que les télescopes à rayons gamma devraient être capables de détecter ce phénomène, mais personne n'a encore détecté de manière fiable une salve de rayons gamma.

"L'annihilation de la matière noire est le seul moyen d'identifier les petits halos de matière noire", a déclaré Sownak Bose.

Une carte du ciel des rayons gamma, produite par le Fermi Large Area Telescope.  Collaboration NASA/DOE/Fermi LAT

Les petits halos se sont formés plus près du Big Bang, lorsque l'univers était plus dense, ils sont donc au moins deux à trois fois plus denses que les grands halos. Cela signifie que leurs centres ont plus de collisions WIMP, ce qui pourrait en faire la meilleure chance pour les chercheurs de trouver de la matière noire en utilisant des télescopes à rayons gamma.

Sownak Bose a déclaré que les nouvelles découvertes faites jusqu'à présent par la simulation de son équipe pourraient susciter des questions nouvelles et passionnantes, comme par exemple pourquoi les halos de matière noire se forment au départ et comment ils interagissent.

"Vous pouvez poser des questions vraiment fondamentales et profondes sur les propriétés de la matière noire, ce qui n'était pas possible auparavant", a déclaré Sownak Bose.

Version originale : Susie Nielson/Business Insider

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