Les astronomes aiment donner des noms bizarres aux choses, mais  » matière noire  » est assez explicite. C’est de la matière, ou du moins nous le pensons, car elle exerce une force gravitationnelle. Elle est également sombre, car nous ne pouvons pas la voir (bien que nous observions son effet) et c’est à peu près tout ce que nous savons à son sujet.

On estime que la matière noire représente environ 85 % de la matière de l’univers, et pourtant nous ne savons pas vraiment ce que c’est. Mais une nouvelle étude pourrait nous aider.

Image d’entête : chacun de ces clichés du télescope spatial Hubble révèle quatre images déformées d’un quasar en arrière-plan entourant le noyau central d’une galaxie massive au premier plan. Les multiples images du quasar ont été produites par la gravité de la galaxie en avant-plan, qui agit comme une loupe en déformant la lumière du quasar dans un effet appelé lentille gravitationnelle. Les quasars sont des phares cosmiques extrêmement éloignés produits par des trous noirs actifs. (NASA/ ESA/ D. Player (STScI)

Aussi bizarre que cela puisse paraître, la matière noire semble « s’agglutiner ». Il s’avère que ces amas peuvent être beaucoup plus petits que nous le pensions. Cela confirme une prédiction fondamentale sur la matière noire, et peut aider les chercheurs à réaliser une importante découverte dans la connaissance de ce phénomène énigmatique.

La matière noire est invisible pour tous nos instruments. Elle n’émet ni lumière ni radiation détectable. Nous ne l’avons jamais imagée de façon directe. Donc, quand ils étudient la matière noire, les astrophysiciens cherchent ses effets. Le plus répandu est l’effet gravitationnel. D’après ces observations, la matière noire semble être la « colle » gravitationnelle qui maintient les galaxies ensemble.

Nous ne savons pas de quel genre de particules la matière noire serait faite, mais il est presque certain qu’il ne s’agit pas des électrons, des protons et des neutrons que nous connaissons. Selon une théorie répandue, quelles que soient les particules dont elle est faite, celles-ci ne se déplaceraient pas très rapidement. Cela aiderait à expliquer pourquoi la matière noire a tendance à s’agglutiner, et pourquoi ses concentrations dans l’univers peuvent autant varier.

Si c’était le cas, cela ferait de la matière noire “froide”. Une théorie concurrente appuie l’idée de la matière noire “chaude”, où les particules se déplacent à des vitesses relativistes (proches de la vitesse de la lumière).

Les amas de matière noire peuvent aider à résoudre ce dilemme. La matière noire  » chaude  » ne permettrait pas la formation de petits amas, ils se déplacent simplement trop vite pour permettre la formation de petits morceaux. Donc, si nous pouvions détecter de petits amas, cela appuierait l’hypothèse de la matière noire  » froide « .

Mais, comme indiqué plus haut, la matière noire ne peut pas être “photographiée/ imagée”. Les chercheurs se sont donc tournés vers un vieil outil : la lentille gravitationnelle. Mais ils lui ont donné une nouvelle tournure.

La lentille gravitationnelle, comme son nom l’indique, est la technique qui consiste à utiliser la force d’attraction gravitationnelle comme une lentille. Tout a une attraction gravitationnelle, mais les objets qui sont vraiment massifs peuvent même déformer la lumière elle-même. Bien que cette distorsion soit souvent très subtile, elle est toujours détectable.

Il suffit de se représenter la situation comme suit : si nous regardons une galaxie lointaine et brillante à travers un télescope, et qu’un autre objet massif est interposé entre notre télescope et la galaxie, sa gravitation peut agir comme une lentille, en courbant la lumière. C’est ce qui a été fait dans cette étude.

Ce graphique illustre comment un lointain quasar (une région extrêmement lumineuse au centre de certaines galaxies lointaines) est altéré par une galaxie massive au premier plan. La puissante gravité de la galaxie déforme et amplifie la lumière du quasar, produisant ainsi quatre images déformées de ce dernier. (NASA/ ESA/ D. Player (STScI)

 

Une grosse planète (ou un objet massif) par sa gravitation peut aussi déformée la courbure de la lumière émise par un objet distant.

Comme vous l’avez peut-être deviné, cela exige un alignement très particulier, ce qui signifie qu’il faut trouver des lentilles gravitationnelles, et il se peut qu’elles n’existent pas dans les directions souhaitées.

Mais il arrive parfois, et c’est très rare, que les objets concernés soient alignés de telle sorte que quatre images déformées soient produites autour de l’objet lenticulaire. C’est ce qu’on appelle une croix d’Einstein. C’est là que les choses deviennent vraiment intéressantes.

Vous vous demandez peut-être ce que tout cela a à voir avec la matière noire. Et bien, l’influence gravitationnelle des amas de matière noire devrait être observable, même celle des plus petits amas.

L’équipe a utilisé le télescope spatial Hubble pour étudier 8 quasars en croix d’Einstein, des noyaux galactiques extrêmement lumineux alimentés par des trous noirs supermassifs. Ces quasars ont été observés à l’aide de lentilles gravitationnelles engendrées par des galaxies massives à l’avant-plan.

Selon l’astrophysicien de l’université de Californie à Los Angeles, Daniel Gilman, l’un des auteurs de l’étude :

Imaginez que chacune de ces huit galaxies soit une loupe géante.

De petits amas de matière noire agissent comme de petites fissures sur la loupe, altérant la luminosité et la position des quatre images de quasars par rapport à ce que l’on s’attendrait à voir si le verre était lisse.

Les 8 quasars et galaxies étaient alignés avec une telle précision que l’effet de distorsion a produit 4 images déformées de chaque quasar. De tels alignements sont très rares et ils ont été assez chanceux pour cette étude.

Chaque cliché montre quatre images déformées d’un quasar en arrière-plan (une région extrêmement lumineuse au centre de certaines galaxies lointaines), entourant le cœur d’une galaxie massive en avant-plan. La gravité de la galaxie d’avant-plan amplifie le quasar, un effet appelé lentille gravitationnelle. (NASA/ ESA/ A. Nierenberg/ T. Treu)

La présence des amas de matière noire a modifié la luminosité apparente et la position de chaque image déformée de quasar. Les chercheurs ont mesuré comment la lumière était déformée par la lentille, puis ils ont examiné la luminosité et la position de chacune des images, en les comparant aux prédictions sur l’aspect des croix d’Einstein sans matière noire. Ces comparaisons leur ont permis de calculer la masse des amas de matière noire à l’origine de la distorsion.

D’après les résultats, de petits amas de matière noire pourraient exister et ces observations confirment l’existence de matière noire plus froide.

Pour Anna Nierenberg du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena (Californie), responsable de l’étude Hubble :

La matière noire est plus froide que ce que nous savions à plus petite échelle. Les astronomes ont déjà effectué d’autres tests d’observation des théories de la matière noire, mais la nôtre fournit les preuves les plus solides à ce jour de la présence de petits amas de matière noire froide. En combinant les dernières prédictions théoriques, les outils statistiques et les nouvelles observations de Hubble, nous avons maintenant un résultat beaucoup plus robuste que ce qui était possible auparavant.

Cela n’exclut pas la possibilité d’une matière noire plus chaude, mais donne plus de poids à la théorie du froid. Pour rendre les choses encore plus complexes, il existe également un modèle de matière noire mixte qui comprend les deux types. Cependant, ce n’est certainement pas la dernière étude de ce type.

Les astronomes pourront effectuer des études de suivi de la matière noire à l’aide des futurs télescopes spatiaux de la NASA, comme le télescope spatial James Webb et le Wide Field Infrared Survey Telescope, tous deux des observatoires infrarouges.

Il est remarquable qu’après des décennies de service, le télescope Hubble fournisse encore des informations extrêmement utiles, nous permettant de comprendre certains aspects de l’univers environnant.

Quant à la matière noire, noussommes encore loin de percer ses secrets. Nous faisons encore des petits pas, mais un à la fois, nous nous rapprochons de ce qu’elle est vraiment, et peut-être qu’alors, ce ne sera plus de la matière noire.

Les chercheurs ont présenté leurs travaux lors de la 235e réunion de l’American Astronomical Society et présentée sur le site du JPL de la NASA : Cosmic Magnifying Glasses Find Dark Matter in Small Clumps.