Une étude suggère que la matière noire pourrait après tout avoir des propriétés collisionnelles

Contrairement à ce qui est établi par le modèle standard, la matière noire pourrait effectivement interagir avec elle-même. C'est la conclusion d'une étude publiée dans Astronomie et astrophysique et dirigé par Riccardo Valdarnini du groupe d'astrophysique et de cosmologie de SISSA. À l’aide de simulations numériques, l’étude a analysé ce qui se passe à l’intérieur de « El Gordo » (littéralement « Le Gros » en espagnol), une fusion d’amas géante située à sept milliards d’années-lumière de nous.

Les calculs ont indiqué que dans cet amas, la séparation physique observée entre les points de densité maximale de matière noire et ceux des autres composants de masse peut être expliquée en utilisant le modèle dit SIDM (Self-Interacting dark Matter), par opposition au modèle standard. un. Ces recherches apportent une contribution importante en faveur du modèle SIDM, selon lequel les particules de matière noire échangent de l'énergie lors de collisions, avec des répercussions astrophysiques intéressantes.

“El Gordo” : une gigantesque structure cosmique pour l'étude de la matière noire

“Selon le modèle cosmologique standard actuellement accepté, la densité actuelle de matière baryonique de l'univers ne peut représenter que 10 % de sa teneur totale en matière. Les 90 % restants sont sous forme de matière noire”, explique Valdarnini, auteur de l'ouvrage. recherche.

« On pense généralement que cette matière est non baryonique et constituée de particules froides sans collision, qui répondent uniquement à la gravité. D'où le nom de « matière noire froide » (CDM). Cependant, il existe encore un certain nombre d'observations qui n'ont pas encore été étudiées. expliqué à l'aide du modèle standard”, explique le chercheur. “Pour répondre à ces questions, plusieurs auteurs proposent un modèle alternatif, appelé SIDM.”

Prouver les propriétés collisionnelles de la matière noire et, plus généralement, des théories alternatives à celle du modèle cosmologique standard, est très compliqué. Il explique : « Il existe cependant des laboratoires uniques qui peuvent s'avérer très utiles à cette fin, à des années-lumière de nous. Ce sont les amas massifs de galaxies, de gigantesques structures cosmiques qui, lors d'une collision, déterminent les événements les plus énergétiques depuis le Grand Claquer.

“Avec une masse d'environ 10¹⁵ masses solaires, El Gordo est l’un des plus grands amas de galaxies que nous connaissons. En raison de ses particularités, El Gordo a fait l'objet de nombreuses études, tant théoriques que observationnelles.

La matière noire pourrait être collisionnelle

Selon le paradigme standard, lors d'une fusion d'amas, le comportement de la composante de la masse de gaz collisionnelle sera différent de celui des deux autres composantes : les galaxies et la matière noire. Dans ce scénario, le gaz dissipera une partie de son énergie initiale.

“C'est pourquoi, après la collision, le pic de densité de masse du gaz sera en retard par rapport à celui de la matière noire et des galaxies”, explique Valdarnini. Avec le modèle SIDM, cependant, un phénomène particulier devrait être observé, à savoir la séparation physique des centroïdes de matière noire – ses points de densité maximale – de ceux d'autres composants de masse présentant des particularités qui représentent une véritable « signature des modèles SIDM ». D'après les observations, c'est exactement ce qui se passe à l'intérieur d'”El Gordo”.

Observer El Gordo

“Commençons par les observations”, explique Valdarnini. El Gordo se compose de deux sous-groupes massifs, respectivement dénommés nord-ouest (NW) et sud-est (SE). L'image aux rayons X de l'amas “El Gordo” montre un seul pic d'émission de rayons X dans le sous-amas SE et deux faibles queues allongées au-delà du pic de rayons X. Une caractéristique remarquable est l’emplacement des pics des différentes composantes de masse.

Contrairement à ce que l’on peut observer dans le Bullet Cluster, un autre exemple important d’amas en collision, le pic des rayons X précède le pic de matière noire SE. De plus, la Galaxie la plus brillante (BCG) est non seulement à la traîne du pic des rayons X, mais elle semble également être spatialement décalée par rapport au centre de gravité SE. Un autre aspect notable peut être observé dans l’amas NW, où le pic de densité numérique des galaxies est spatialement décalé par rapport au pic de masse correspondant.

Les résultats de la recherche suggèrent que la matière noire collisionnelle pourrait expliquer les phénomènes observés dans « El Gordo ».

Afin d'expliquer ses découvertes et de valider les modèles SIDM, Valdarnini a utilisé un large ensemble de simulations dites N-corps/hydrodynamiques. Ainsi, il a mené une étude systématique visant à reproduire les caractéristiques observationnelles de « El Gordo ».

“Le résultat le plus significatif de cette étude de simulation est que les séparations relatives observées entre les différents centroïdes de masse de l'amas 'El Gordo' s'expliquent naturellement si la matière noire interagit avec elle-même”, déclare Valdarnini.

“Pour cette raison, ces résultats fournissent une signature sans ambiguïté d'un comportement de matière noire qui présente des propriétés collisionnelles dans une collision d'amas très énergétique à fort redshift. Il existe cependant des incohérences, car les valeurs de section efficace SIDM obtenues à partir de ces simulations sont supérieures à présentent des limites supérieures, qui sont d’ordre unité à l’échelle des clusters.

“Cela suggère que les modèles SIDM actuels devraient être considérés uniquement comme une approximation d'ordre inférieur et que les processus physiques sous-jacents qui décrivent l'interaction de la matière noire dans les fusions d'amas majeurs sont plus complexes que ce qui peut être représenté de manière adéquate par l'approche communément supposée basée sur la diffusion des particules de matière noire.

“L'étude plaide de manière convaincante en faveur de la possibilité d'une auto-interaction de la matière noire entre des amas en collision comme alternative au paradigme standard de la matière noire sans collision.”