Des ponts cachés de matière noire entre les galaxies de l'Univers local

Nathalie Mayer

Journaliste

Publié le 28/05/2021

 [EN VIDÉO] Qu’est-ce que la matière noire ?  La matière noire est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique. Si les particules qui la constituent existent bien, elles devraient nous permettre de comprendre l'origine des galaxies. Mais leur nature reste un mystère. Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous explique cette question très ouverte. 

La matière gouverne la dynamique de notre Univers. Les astronomes le savent. Et l'intelligence artificielle vient tout juste de leur permettre de mettre à jour ce qui ressemble à des structures filamenteuses constituées de l'énigmatique matière noire. Comme des ponts cachés entre les galaxies qui nous entourent. De quoi retracer l'histoire et entrevoir l'avenir de notre Univers local.

La matière noire, rappelons-le, est une matière insaisissable qui pourtant compose 80 % de notre Univers. Ce que l'on sait peut-être un peu moins, c'est qu'elle constitue également le squelette de ce que les cosmologistes appellent la toile cosmique. Cette structure à grande échelle qui influence le mouvement des galaxies.

VOIR AUSSIÀ quoi ressemblerait la matière noire si nous pouvions la voir ?

Comme son nom l'indique bien, la matière noire reste invisible aux astronomes. Ils ne peuvent pas mesurer directement sa distribution. Pour s'en faire une idée, ils doivent étudier son influence gravitationnelle sur les objets qui peuplent l'Univers. Les galaxies, par exemple. Et la tâche se complique lorsque les chercheurs s'intéressent à sa distribution dans notre environnement proche. Car au fil du temps, la structure à grande échelle de notre Univers s'est complexifiée.

Des astrophysiciens avaient déjà tenté de cartographier la toile cosmique locale en partant d'un modèle d'Univers primitif et en le laissant évoluer pendant des milliards d'années. Une méthode gourmande en temps de calcul. Et qui avait échoué à donner des résultats détaillés. Cette fois, les chercheurs, parmi lesquels une équipe de l’université Penn State (États-Unis), ont adopté une approche totalement différente. Grâce à l'apprentissage automatique, l'intelligence artificielle, en somme, ils ont construit un modèle qui utilise des informations sur la distribution et le mouvement des galaxies pour prédire la distribution de la matière noire.

Sur ces cartes, les galaxies sont représentées par des points noirs et la Voie lactée par un X. Les flèches indiquent le mouvement de l’univers local dû à la gravité. Ces cartes de densité — chacune présentant une coupe transversale de différentes dimensions — reproduisent les caractéristiques connues et proéminentes de l’univers (en rouge) et révèlent également des caractéristiques filamentaires plus petites (en jaune) qui agissent comme des ponts cachés entre les galaxies. © Hong et al., Astrophysical Journal 

Reconstitué l’histoire et lire l’avenir de l’Univers local

Les chercheurs ont ensuite appliqué leur modèle à des données réelles de l'univers local issues du catalogue de galaxies Cosmicflow-3. Il contient des données complètes sur la distribution et le mouvement de plus de 17.000 galaxies à proximité de la Voie lactée. À proximité de la Voie lactée signifiant tout de même dans un rayon de moins de 650 millions d'années-lumière.

Cette carte de la toile cosmique locale reproduit des structures connues de premier plan comme la « Feuille locale » -- une région de l'espace contenant la Voie lactée et des galaxies voisines partageant la même vitesse particulière -- et le « Vide local » -- une région de l'espace relativement vide à côté du groupe local.

Mais la carte identifie surtout plusieurs nouvelles structures parmi lesquelles des filaments qui relient les galaxies. Comme des sortes de ponts cachés de matière noire. Et les astronomes espèrent désormais que l'étude de ces structures les aidera non seulement à élucider la nature de la matière noire, mais aussi à tirer des informations importantes sur le destin des galaxies. Puisque la matière noire contrôle la dynamique de l'Univers, ces ponts pourraient par exemple révéler si la Voie lactée et la galaxie d'Andromède, qui se rapprochent lentement l'une de l'autre, finiront par entrer en collision.

En ajoutant plus de galaxies à leur modèle, les chercheurs espèrent encore en améliorer la précision. Pour lire dans l'avenir de l'Univers local ou pour reconstituer fidèlement son passé.

Sur cette image provenant d'une des meilleures simulations de la formation des grandes structures de l'univers, des filaments de matière noire contenant des superamas de galaxies apparaissent clairement. On note aussi la présence de grands vides que l'on appelle parfois des vides cosmiques (cosmic voids en anglais). La barre blanche indique l'échelle des distances en mégaparsecs corrigée par le facteur h lié à la constante de Hubble. On estime que h est compris entre 0,65 et 0,70, la meilleure estimation en 2014 étant de 0,68. © Max Planck Institute for Astrophysics, Millennium Simulation Project 

Cette image en fausse couleurs a été obtenue en étudiant l'effet de lentille gravitationnelle faible produit par un très grand nombre de paires de galaxies situées à environ 4,5 milliards d'années-lumière de la Voie lactée. Les taches blanches représentent deux galaxies. © S. Epps & M. Hudson, University of Waterloo 

Les observations des courbes de révolution des étoiles autour du centre de leurs galaxies montrent qu'elles tournent trop vite si l'on se base sur la loi de la gravitation de Newton ou sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. Le plus probable est qu'il y ait de la matière cachée non lumineuse, de la matière noire. © Gianfranco Bertone 

Ce n'est pas la première fois que l'on tentait de détecter, par effet de lentille gravitationnelle faible, un filament de matière noire entre les amas galactiques Abell 222 et Abell 223. Mais c'est la première fois que les observations sont concluantes. La présence de la matière noire est représentée ici sous la forme de lignes d'isodensité reconstruites. L'image de fond a été prise dans le visible par le télescope Subaru. © Jörg Dietrich/U-M Department of Physics 

Source: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-ponts-caches-matiere-noire-galaxies-univers-local-39938/?utm_content=bufferf3671&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura&fbclid=IwAR16xCM-X4_MgvpzN4A7jJ1RR-3yFHZ2SxaPgcKZQGgmIjTjAciHQf4_4Rk