Comment les galaxies sont-elles soutenues par des squelettes de matière noire ? C’est un problème qui préoccupe la communauté astronomique depuis plusieurs années. Le réseau de matière noire, également connu sous le nom de squelette de matière noire, est considéré comme la plus grande structure de l’univers. Il constitue le cadre de base pour la formation et l’évolution de toutes les galaxies et amas de galaxies. Bien que nous ne puissions pas observer directement la matière noire elle-même, grâce à son effet gravitationnel sur la matière visible, nous pouvons cartographier cette toile invisible mais extrêmement importante de l’univers. Le comprendre est la clé pour comprendre comment l’édifice de notre univers a été construit.
Quelle est la preuve cosmologique d’un squelette de matière noire ?
L’examen des fluctuations de température du rayonnement cosmique de fond micro-ondes fournit en fait le « plan » initial de l’endroit où se trouve réellement le squelette de la matière noire. Ce sont ces minuscules ondulations qui sont nées dès l’enfance de l’univers, et qui se sont progressivement développées avec l’aide de la gravité dominante de la matière noire, pour finalement évoluer vers les structures filamenteuses et les immenses vides cosmiques auxquels nous sommes témoins aujourd’hui. Sans l'effet de « condensation » de la matière noire, la matière atomique ordinaire n'aurait pas pu se rassembler rapidement pour former des structures aux premiers stades de l'univers.
Un autre élément de preuve clé vient du mouvement des galaxies. Il a été découvert grâce à l'observation que la vitesse des galaxies se déplaçant dans les amas de galaxies dépasse de loin les contraintes gravitationnelles imposées par leur matière visible. Cela implique fortement qu’il existe une grande quantité de matière invisible, c’est-à-dire de matière noire. Ils forment un immense « halo » qui s’étend bien au-delà des galaxies visibles. Ces « halos » sont connectés les uns aux autres et forment un réseau squelettique. L’effet de lentille gravitationnelle, c’est-à-dire que la lumière des galaxies d’arrière-plan est déformée par la matière noire du premier plan, décrit directement pour nous l’apparence de ces amas de matière noire.
Comment le squelette de matière noire affecte la formation des galaxies
Au début de l'univers, la matière noire a été la première à s'effondrer en raison de sa propre gravité, créant ainsi un « puits de potentiel » en forme de nœud en forme de filament. Ces zones à haute densité deviennent des puits gravitationnels de matière ordinaire. Le gaz est attiré et tombe dans ces puits de potentiel de matière noire, où il subit un refroidissement et une condensation, formant finalement des galaxies et des amas de galaxies aux intersections (nœuds) des filaments. Autant le dire ainsi : les galaxies se créent au « carrefour » du squelette de la matière noire.
Le squelette de la matière noire joue un rôle clé. Il constitue non seulement un berceau pour la naissance des galaxies, mais a également un impact continu sur l'évolution des galaxies. La matière noire et le gaz circulant le long de la structure filamenteuse du squelette fournissent la « nutrition » nécessaire à la croissance continue des galaxies. Dans le même temps, la position d’une galaxie dans le squelette détermine son chemin évolutif. Les galaxies situées dans des nœuds denses (c'est-à-dire les centres des amas de galaxies) et les galaxies situées sur des filaments isolés auront des activités et des formes de formation d'étoiles complètement différentes.
Pourquoi le squelette de la matière noire ne peut pas être observé directement
La matière noire ne participe pas aux interactions électromagnétiques, ce qui l’empêche d’émettre, de réfléchir la lumière et d’absorber la lumière. Tous nos télescopes optiques traditionnels y sont « aveugles », les radiotélescopes le sont également, et les télescopes à rayons X le sont également. Nous sommes comme dans la nuit noire. Nous ne pouvons voir que la zone éclairée par les lampadaires, c'est-à-dire la galaxie. Cependant, nous ne pouvons pas voir l’immense réseau électrique lui-même qui porte les lampadaires, ni les supports qui portent les lampadaires eux-mêmes.
Même s'il ne peut pas être « vu » directement, il peut être indirectement détecté grâce à l'effet gravitationnel de l'existence. Pour des projets tels que les études de galaxies à grande échelle, en mesurant les positions et les mouvements de millions de galaxies et en utilisant des méthodes statistiques pour déduire à l'envers la répartition de la matière noire qui existe derrière elles, cela revient à observer l'état de balancement d'une bouée à la surface de la mer, puis à déduire la direction et l'intensité de l'eau s'écoulant secrètement sur le fond marin, et enfin à construire une image tridimensionnelle du squelette de la matière noire.
Simulation et progrès de la recherche théorique sur le squelette de la matière noire
L’utilisation de superordinateurs pour réaliser des simulations numériques cosmologiques constitue un outil théorique clé pour explorer le squelette de la matière noire. La simulation part d'une condition initiale presque uniforme et s'appuie uniquement sur l'évolution gravitationnelle pour générer naturellement une structure de réseau filamenteux cohérente avec les observations. Ces simulations montrent clairement comment la matière noire crée d'abord le squelette, puis la matière ordinaire « colle » à la structure pour former les galaxies.
Dans la dernière simulation, non seulement la matière noire mais aussi la gravité sont incluses, et des processus physiques complexes tels que l'hydrodynamique des gaz, la formation d'étoiles et la rétroaction des supernovas ont tous été ajoutés. De cette manière, le modèle théorique peut comparer des observations plus détaillées, telles que la répartition spécifique des galaxies dans le squelette et l'abondance des amas de galaxies dans l'exemple. L'étalonnage continu entre les simulations et les observations nous aide à déterminer avec plus de précision les propriétés fondamentales de la matière noire.
À la recherche du lien entre les particules de matière noire et la nature des squelettes
Les propriétés macroscopiques du squelette de matière noire sont étroitement liées à la nature de ses particules microscopiques. Si la matière noire était « froide », c’est-à-dire qu’elle se déplaçait lentement, ses propriétés particulaires seraient plus propices à la formation du squelette doté de la fine structure fibreuse que nous observons. Si la matière noire est « chaude », sa plus petite structure sera éliminée, ce qui est incompatible avec les observations existantes.
Actuellement, les expériences de détection menées directement sous terre, les expériences de détection indirecte réalisées dans l'espace et les recherches menées au Large Hadron Collider visent toutes à découvrir des particules de matière noire. Une fois l’identité de ses particules claire, nous pouvons comprendre pleinement et fondamentalement les propriétés mécaniques du squelette. Par exemple, s’il existe de faibles interactions entre les particules de matière noire, cela aura très probablement un impact sur le nombre de sous-structures au sein du squelette, expliquant ainsi certaines des différences subtiles dans les observations.
Comment de futures observations pourraient révéler des détails sur le squelette de la matière noire
Dans la prochaine génération de projets d'étude du ciel à grande échelle, tels que le télescope spatial Euclid et le LSST de l'observatoire Vera Rubin, ils utiliseront une technologie de lentille gravitationnelle faible et de cartographie des galaxies plus précise pour cartographier la matière noire de l'univers avec une précision sans précédent. Ces données feront progresser la représentation des squelettes depuis les contours flous actuels vers une ère de « haute définition » où ses fines fibres et ses sous-structures pourront être distinguées.
Grâce aux observations de la distribution de l'hydrogène neutre réparti le long de la ligne des 21 centimètres dans les premiers jours de l'univers, il est possible de suivre directement le processus d'accompagnement du gaz vers les filaments du squelette de la matière noire, comme si on regardait un film en accéléré sur la formation de la structure de l'univers. En combinant des données d'observation multi-messagers et multi-bandes, les astronomes visent à présenter une image complète et claire du squelette de matière noire qui soutient l'univers au cours des prochaines décennies.
Dans notre quête pour explorer les plus grandes structures de l’univers, nous sommes passés de la spéculation à la cartographie. Comment pensez-vous que la découverte complète des secrets du squelette de la matière noire va bouleverser notre compréhension de l’origine de l’univers et de la nature de la matière ? Bienvenue pour partager vos opinions dans la zone de commentaires. Si cet article peut vous inspirer, n'hésitez pas à l'aimer et à le partager.
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