Des scientifiques révèlent la distribution de la matière noire autour des galaxies il y a 12 milliards d’années – plus loin dans le temps que jamais –

Voir quelque chose qui s’est passé il y a si longtemps est difficile. En raison de la vitesse finie de la lumière, nous ne voyons pas les galaxies lointaines telles qu’elles sont aujourd’hui, mais telles qu’elles étaient il y a des milliards d’années. Mais encore plus difficile est d’observer la matière noire, qui n’émet pas de lumière.

Considérons une galaxie source éloignée, encore plus éloignée que la galaxie dont on veut étudier la matière noire. L’attraction gravitationnelle de la galaxie de premier plan, y compris sa matière noire, déforme l’espace et le temps environnants, comme le prédit la théorie de la relativité générale d’Einstein. Lorsque la lumière de la galaxie source traverse cette distorsion, elle se plie, modifiant la forme apparente de la galaxie. Plus la quantité de matière noire est importante, plus la distorsion est importante. Ainsi, les scientifiques peuvent mesurer la quantité de matière noire autour de la galaxie de premier plan (la galaxie “lentille”) à partir de la distorsion.

Cependant, au-delà d’un certain point, les scientifiques rencontrent un problème. Les galaxies dans les profondeurs de l’univers sont incroyablement faibles. Par conséquent, plus nous regardons loin de la Terre, moins cette technique devient efficace. La distorsion de lentille est subtile et difficile à détecter dans la plupart des cas, de sorte que de nombreuses galaxies d’arrière-plan sont nécessaires pour détecter le signal.

La plupart des études précédentes sont restées bloquées aux mêmes limites. Incapables de détecter suffisamment de galaxies sources distantes pour mesurer la distorsion, ils ne pouvaient analyser que la matière noire d’il y a pas plus de 8 à 10 milliards d’années. Ces limitations laissent ouverte la question de la répartition de la matière noire entre cette époque et il y a 13,7 milliards d’années, autour du début de notre univers.

Pour surmonter ces défis et observer la matière noire depuis les confins de l’univers, une équipe de recherche dirigée par Hironao Miyatake de l’Université de Nagoya, en collaboration avec l’Université de Tokyo, l’Observatoire astronomique national du Japon et l’Université de Princeton, a utilisé une source différente. de lumière de fond, les micro-ondes émises par le Big Bang lui-même.

Tout d’abord, en utilisant les données des observations du Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), l’équipe a identifié 1,5 million de galaxies lentilles en utilisant la lumière visible, sélectionnées pour être vues il y a 12 milliards d’années.

Ensuite, pour surmonter le manque de lumière des galaxies encore plus éloignées, ils ont utilisé des micro-ondes du fond diffus cosmologique (CMB), le résidu de rayonnement du Big Bang. En utilisant des micro-ondes observées par le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne, l’équipe a mesuré comment la matière noire autour des galaxies lentilles déformait les micro-ondes.

“Regardez la matière noire autour des galaxies lointaines ?” a demandé le professeur Masami Ouchi de l’Université de Tokyo, qui a fait de nombreuses observations. “C’était une idée folle. Personne ne s’est rendu compte que nous pouvions faire cela. Mais après avoir donné une conférence sur un grand échantillon de galaxie lointaine, Hironao est venu me voir et m’a dit qu’il serait peut-être possible d’observer la matière noire autour de ces galaxies avec le CMB. “

“La plupart des chercheurs utilisent des galaxies sources pour mesurer la distribution de la matière noire depuis le présent jusqu’à il y a huit milliards d’années”, a ajouté le professeur adjoint Yuichi Harikane de l’Institut de recherche sur les rayons cosmiques de l’Université de Tokyo. “Cependant, nous pouvions regarder plus loin dans le passé parce que nous utilisions le CMB plus éloigné pour mesurer la matière noire. Pour la première fois, nous mesurions la matière noire depuis presque les premiers instants de l’univers.”

Après une analyse préliminaire, les chercheurs se sont vite rendu compte qu’ils disposaient d’un échantillon suffisamment important pour détecter la distribution de la matière noire. En combinant le grand échantillon de galaxies lointaines et les distorsions de lentille dans CMB, ils ont détecté de la matière noire encore plus loin dans le temps, il y a 12 milliards d’années. Ce n’est que 1,7 milliard d’années après le début de l’univers, et donc ces galaxies sont vues peu de temps après leur formation.

“J’étais heureux que nous ayons ouvert une nouvelle fenêtre sur cette époque”, a déclaré Miyatake. “Il y a 12 milliards d’années, les choses étaient très différentes. Vous voyez plus de galaxies en cours de formation qu’aujourd’hui ; les premiers amas de galaxies commencent également à se former.” Les amas de galaxies comprennent 100 à 1000 galaxies liées par gravité avec de grandes quantités de matière noire.

“Ce résultat donne une image très cohérente des galaxies et de leur évolution, ainsi que de la matière noire dans et autour des galaxies, et comment cette image évolue avec le temps”, a déclaré Neta Bahcall, professeur d’astronomie Eugene Higgins, professeur de sciences astrophysiques, et directeur des études de premier cycle à l’Université de Princeton.

L’une des découvertes les plus intéressantes des chercheurs était liée à l’agglutination de la matière noire. Selon la théorie standard de la cosmologie, le modèle Lambda-CDM, de subtiles fluctuations dans le CMB forment des bassins de matière dense en attirant la matière environnante par gravité. Cela crée des amas inhomogènes qui forment des étoiles et des galaxies dans ces régions denses. Les résultats du groupe suggèrent que leur mesure d’agglutination était inférieure à celle prédite par le modèle Lambda-CDM.

Miyatake est enthousiasmé par les possibilités. “Notre découverte est encore incertaine”, a-t-il déclaré. “Mais si c’est vrai, cela suggérerait que l’ensemble du modèle est défectueux à mesure que vous remontez dans le temps. C’est excitant car si le résultat tient après la réduction des incertitudes, cela pourrait suggérer une amélioration du modèle qui pourrait donner un aperçu. dans la nature de la matière noire elle-même.”

“À ce stade, nous essaierons d’obtenir de meilleures données pour voir si le modèle Lambda-CDM est réellement capable d’expliquer les observations que nous avons dans l’univers”, a déclaré Andrés Plazas Malagón, chercheur associé à l’Université de Princeton. “Et la conséquence peut être que nous devons revoir les hypothèses qui sont entrées dans ce modèle.”

“L’un des points forts de l’observation de l’univers à l’aide d’enquêtes à grande échelle, telles que celles utilisées dans cette recherche, est que vous pouvez étudier tout ce que vous voyez dans les images résultantes, des astéroïdes proches de notre système solaire aux astéroïdes les plus éloignés. galaxies de l’univers primitif. Vous pouvez utiliser les mêmes données pour explorer de nombreuses nouvelles questions “, a déclaré Michael Strauss, professeur et directeur du Département des sciences astrophysiques de l’Université de Princeton.

Cette étude a utilisé les données disponibles des télescopes existants, dont Planck et Subaru. Le groupe n’a examiné qu’un tiers des données de l’enquête Subaru Hyper Suprime-Cam. La prochaine étape consistera à analyser l’ensemble des données, ce qui devrait permettre une mesure plus précise de la distribution de la matière noire. À l’avenir, l’équipe prévoit d’utiliser un ensemble de données avancées comme le Legacy Survey of Space and Time (LSST) de l’observatoire Vera C. Rubin pour explorer davantage les premières parties de l’espace. “LSST nous permettra d’observer la moitié du ciel”, a déclaré Harikane. “Je ne vois aucune raison pour laquelle nous ne pourrions pas voir la distribution de la matière noire il y a 13 milliards d’années ensuite.”