Nous ne pouvons pas voir la matière noire, mais il existe un moyen ingénieux de la cartographier

La plus grande question en physique aujourd'hui, et sans doute dans toute la science, est apparemment simple : de quoi est fait l'univers ? La réponse à cela ne semble évidente que jusqu'à ce que vous appreniez que tout ce que nous voyons autour de nous – chaque objet, chaque grain de poussière, chaque particule – ne représente que 5% de tout ce qui existe. Cette matière ordinaire est de loin minoritaire, et le reste de l'univers est composé à 27% de matière noire et à 68% d'énergie noire.

« La matière noire est avant tout de la matière. Il est partout, et il se cache dans l'obscurité », a déclaré le cosmologue Alex Hall de l'Université d'Édimbourg à Digital Trends. "C'est cette chose mystérieuse très fondamentale qui n'est tout simplement pas comprise."

Nous savons que cet univers sombre doit exister à cause des mouvements des galaxies, mais nous ne pouvons ni le voir ni le toucher. Vous pourriez penser que cela rendrait la recherche sur la matière noire presque impossible, mais en fait, nous nous rapprochons plus que jamais de la compréhension de ce monde caché.

Soutenir la structure de l'univers

La matière noire ne se contente pas de flotter pour remplir l'espace vide. Surtout, on le trouve dans des touffes et des structures, similaires à la matière ordinaire. Il forme la structure sur laquelle la matière ordinaire se fond et est considérée comme responsable des structures des galaxies et de l'univers dans son ensemble.

"Nous savons que les galaxies se forment dans l'échafaudage produit par la matière noire", a expliqué l'astronome et chercheur au début de l'univers Steve Wilkins de l'Université du Sussex. "Cela fait partie intégrante de notre univers d'expliquer ce que nous voyons."

C'est à cause des effets gravitationnels de la matière noire, donc un amas de matière noire attirera plus de matière noire vers lui – et il attirera également la matière ordinaire. Comme les étoiles ont besoin de nuages ​​de gaz denses pour se former, elles ont tendance à se former dans des régions riches en matière noire.

La matière noire est donc le véritable moteur de la formation des étoiles, et donc des galaxies, à la fois tout au long de l'histoire de l'univers et en ce qui concerne les nouvelles galaxies qui se forment actuellement. "La présence de matière noire façonne vraiment les galaxies d'aujourd'hui", a déclaré Wilkins.

Dessiner une carte de l'inconnu

Aussi importante que soit la matière noire, l'étude du sujet est un défi car elle n'interagit pas avec la matière ou la lumière comme le font les autres particules.

"Nous ne savons pas vraiment ce que nous recherchons", a déclaré Hall. "Il est donc difficile de concevoir l'expérience parfaite pour faire cela parce que nous n'avons pas une idée théorique précise de ce que devrait être la matière noire."

Cependant, bien que nous ne soyons pas en mesure de détecter directement la matière noire, nous pouvons voir où elle se trouve en raison de ses effets gravitationnels. L'une des principales méthodes de recherche en ce moment consiste donc à cartographier son emplacement, dans le but de voir comment la matière noire est distribuée dans l'univers.

C'est l'objectif de la mission Euclid récemment lancée par l'Agence spatiale européenne, sur laquelle Hall et Wilkins travaillent tous les deux. Télescope spatial construit avec des niveaux de précision extrêmement élevés , il est actuellement en route vers l'orbite L2 autour du soleil, d'où il pourra observer des galaxies lointaines sans avoir à faire face à l'éblouissement du soleil ou aux distorsions de l'atmosphère terrestre. L'objectif est de créer une carte 3D de la répartition de la matière noire dans l'univers.

Euclid utilisera deux méthodes principales pour localiser la matière noire : la lentille gravitationnelle et l'agrégation de galaxies. La lentille gravitationnelle, ou lentille faible, est la même méthode utilisée par des télescopes comme James Webb ou Hubble pour étudier des objets extrêmement éloignés . Cela repose sur le fait qu'un objet suffisamment massif pliera en fait l'espace-temps, en pliant la lumière venant de derrière et en agissant comme une loupe.

Mais alors que Webb ou Hubble utilisent cet effet pour regarder la lumière courbée provenant de galaxies d'arrière-plan très éloignées comme un moyen d'étudier des objets trop éloignés pour être observés autrement, Euclid l'utilisera d'une manière différente. En voyant combien d'espace-temps est déformé par un objet de premier plan comme une galaxie, nous pouvons déduire combien de matière noire doit être présente dans cette galaxie de premier plan.

Déduire l'invisible

Le problème est que même s'il y a beaucoup de matière noire dans l'univers, "les effets qu'elle a sur la matière normale sont assez subtils", a déclaré Hall.

Ainsi, les effets de la lentille gravitationnelle sont très faibles, avec un changement d'environ 1 % de la forme de la galaxie. Pour mesurer cet effet de manière significative, il faut à la fois imager un grand nombre de galaxies et acquérir des images très précises. C'est pourquoi Euclid effectue une étude très large du ciel et pourquoi il doit être dans l'espace pour minimiser les distorsions.

L'autre méthode utilisée par Euclid pour étudier la matière noire, le regroupement de galaxies, est une mesure moins directe de la matière noire mais un effet plus fort. En cartographiant les emplacements des galaxies en trois dimensions, vous pouvez en déduire où se trouvera la matière noire, grosso modo. C'est parce que la matière régulière dans les galaxies trace l'emplacement de la matière noire, "donc là où il y a beaucoup de matière noire, vous avez tendance à avoir plus de galaxies", a expliqué Hall.

Une fois l'enquête d'Euclide terminée et les données analysées, dans environ dix à douze ans, nous devrions avoir une carte de la matière noire de l'univers et être en mesure de voir comment cette distribution a changé au fil du temps.

Un pas après l'autre

Avoir une carte de la matière noire peut être intéressant, mais comment cela aide-t-il à comprendre ce qu'est réellement la matière noire ? Pour la prochaine étape de l'enquête, nous avons besoin de superordinateurs.

La principale façon dont les astronomes, qui effectuent des observations, et les théoriciens, qui proposent des explications possibles de la matière noire, travaillent ensemble est l'utilisation de modèles. Les chercheurs peuvent utiliser la puissance de calcul pour exécuter des simulations de l'univers, en voyant à quoi il pourrait ressembler si différentes théories de la matière noire étaient correctes.

À quoi ressemble l'univers si la matière noire est lourde ou légère ? Et si la matière noire est chaude, tiède ou froide ? De puissants superordinateurs peuvent calculer comment ces différents facteurs modifieraient la répartition de la matière noire dans l'univers, puis nous pouvons comparer ces simulations avec les observations de l'univers tel que nous le voyons réellement.

Aucun des modèles que nous avons mis au point jusqu'à présent n'a été parfaitement adapté, mais les données que nous collectons maintenant nous permettront d'exclure ou d'exclure des classes entières de théories sur ce que pourrait être la matière noire.

Trouver les particules insaisissables

L'autre grande voie active de recherche sur la matière noire consiste actuellement à rechercher les particules qui pourraient la composer. La plupart des chercheurs pensent que la matière noire est probablement une particule quelconque, bien que nous ne sachions pas ce que cette particule pourrait être.

Les installations de physique des particules comme le Large Hadron Collider (LHC) sont capables de briser des particules ensemble pour créer des particules exotiques à courte durée de vie, dont chacune pourrait être candidate à la matière noire.

Bien que ces expériences n'aient pas encore trouvé de particule candidate pour la matière noire, elles ont exclu des classes de particules. Et les chercheurs du CERN, le groupe qui gère le LHC, s'intéressent particulièrement à une approche appelée supersymétrie, qui est une extension du modèle standard des particules où chaque particule standard a un partenaire de masse différente. Si elles sont trouvées, ces particules pourraient aider à créer une grande théorie unifiée de la physique et à expliquer la matière noire.

Enfin, une autre façon d'essayer de comprendre la matière noire est de regarder ses interactions. La matière noire n'interagit pas avec la matière ordinaire, mais certains chercheurs pensent qu'elle pourrait interagir avec elle-même, il pourrait donc être possible de détecter une sorte de rayonnement créé par cette auto-interaction. "Ils n'ont rien trouvé, mais leur précision statistique et leur compréhension de ces expériences et des limites qu'ils peuvent imposer à ces choses s'améliorent constamment", a déclaré Hall.

Repousser les limites du savoir

Aussi ardue que puisse être la tâche d'explorer les contours d'un phénomène profondément mystérieux, les chercheurs doivent l'aborder du mieux qu'ils peuvent avec les outils dont ils disposent actuellement – et le faire avec humilité et coopération.

"C'est un gros problème en physique, et il doit être abordé par petites étapes", a déclaré Hall.

Aussi gratifiant que ce soit de découvrir la particule de matière noire demain, en réalité, la recherche actuelle sur la matière noire ressemble moins à un moment d'eurêka qui fait trembler la Terre et plus comparable à l'élimination de la saleté pour révéler un artefact lors d'une fouille archéologique. Des équipes de chercheurs travaillent pour éliminer une idée à la fois, écartant les théories incorrectes pour se rapprocher lentement de la vérité.

"C'est ainsi que la science progresse", a déclaré Hall. "Vous rejetez les théories et finalement vous vous concentrez sur quelque chose que vous croyez être une représentation véridique de la nature."

Au cours de la dernière décennie, les améliorations technologiques telles que les processeurs informatiques plus rapides et les nouveaux télescopes, ainsi que les développements théoriques ont poussé les chercheurs sur la matière noire plus loin que jamais, les chercheurs élucidant un énorme mystère.

Aussi difficile que soit le problème de la matière noire, c'est en partie ce qui le rend si passionnant pour les chercheurs. "Je pense que nous, les humains, voulons en savoir plus sur la nature, sur l'univers et sur le monde qui nous entoure", a déclaré Hall. "Avoir cette compréhension enrichit toutes nos vies."