Le secret de la matière noire se cache-t-il dans les ondes gravitationnelles ?

Une équipe internationale de cosmologistes est parvenue à trouver un pont potentiel entre deux concepts clés de l’astrophysique : les ondes gravitationnelles, ces fluctuations de l’espace-temps produites par les mouvements des corps célestes massifs, et la matière noire, cette entité insaisissable qui occupe pourtant une place centrale dans les modèles cosmologiques actuels.

En se basant sur une série de simulations informatiques, une équipe internationale dirigée par Alex Jenkins, de l’University College de Londres a déterminé qu’il pourrait être possible de déterminer la vraie nature de la matière noire en observant les ondes gravitationnelles qui résultent de la fusion de trous noirs.

La matière noire fait l’objet d’une longue quête scientifique qui dure depuis des décennies. En 2023, elle demeure encore techniquement hypothétique. Personne n’a réussi à l’observer, car cette matière pourtant considérée comme abondante a la fâcheuse manie de snober tout le reste de la matière observable. Pour autant qu’on sache, elle est entièrement inerte.

Si ce concept nébuleux tient debout, c’est uniquement parce qu’elle permet de combler un vide scientifique ; sans elle, il serait impossible d’expliquer des comportements curieux observés chez certains corps célestes.

Observer l’inobservable

C’est donc une pièce fondamentale du grand puzzle de l’astrophysique, mais sa véritable nature demeure mystérieuse. Certes, il existe de nombreuses théories à ce sujet. Mais personne n’est encore capable d’affirmer avec certitude si la matière noire est véritablement inerte, ou si elle interagit avec les atomes de manière particulièrement discrète.

Selon le communiqué des chercheurs, une manière de tester ces deux possibilités serait d’observer la façon dont les galaxies se forment dans des halos. Ce terme désigne des régions suspectées d’être de grands nuages de matière noire (voir notre article ici). En effet, la théorie suggère que si la matière noire est capable d’interagir avec les neutrinos — un autre type de particule subatomique particulièrement discret —, la structure de la matière noire pourrait se disperser.

Cela aurait pour effet de ralentir le rythme de formation des galaxies dans la zone en question. En d’autres termes, si l’on observe une région du cosmos où les galaxies sont nettement plus rares qu’elles ne devraient l’être en théorie, cela pourrait indiquer que la matière noire interagit bien avec une partie de la matière classique.

Le problème, selon les modèles des chercheurs, c’est que ces galaxies « manquantes » seraient à la fois petites et extrêmement lointaines. Il est donc très difficile de déterminer si elles manquent effectivement à l’appel, ou si ce sont simplement nos capacités d’observation qui sont limitées.

La gravitation à la rescousse

Pour contourner ce problème, l’équipe d’Alex Jenkins a proposé une autre approche. Au lieu de cibler directement ces galaxies fugitives, il pourrait être possible d’estimer leur abondance indirectement en utilisant les ondes gravitationnelles.

Pour arriver à cette conclusion, ils ont conduit des simulations basées sur des modèles théoriques où l’on part du principe que la matière noire interagit avec les autres particules. Dans ces simulations, ils ont observé nettement moins de fusions de trous noirs dans l’univers lointain par rapport aux modèles où la matière noire est considérée comme inerte.

Cette différence statistique est particulièrement discrète. Si discrète, en fait, qu’aucun instrument actuel ne serait capable de la détecter si elle existait effectivement dans le monde réel. Et pour cause : l’étude des ondes gravitationnelles est encore une discipline très jeune. Elle n’a produit ses premiers résultats concrets qu’en 2015. Un délai extrêmement court à l’échelle de la recherche en physique fondamentale. Les chercheurs manquent donc encore de recul.

Mais plus le temps passe, plus les spécialistes affûtent leurs instruments. Et ces efforts commencent enfin à produire des résultats concrets. Par exemple, tout récemment, des chercheurs ont enfin réussi à repérer la trace du fond cosmologique d’ondes gravitationnelles. Une avancée conséquente qui pourrait ouvrir la voie à d’autres découvertes fabuleuses.

Un début de piste très prometteur

Dans ce contexte, l’équipe de Jenkins considère que ses travaux très exploratoires permettront de défricher de nouvelles pistes de recherche. Ils espèrent que leur approche fera émerger de nouvelles façons d’utiliser les ondes gravitationnelles pour explorer la structure à grande échelle de l’Univers.

À terme, cela pourrait permettre de cerner une fois pour toutes le comportement de la matière noire. Et, par extension, de découvrir de quoi elle est constituée. « La troisième génération de données sur les ondes gravitationnelles nous offrira de nouvelles manières de tester les modèles actuels qui décrivent l’Univers pour découvrir la nature de la matière noire », explique Mairi Sakellariadou, professeure au King’s College de Londres et co-auteure de l’étude.

« La matière noire demeure l’un des grands mystères dans notre compréhension de l’Univers », renchérit Sownak Bose, un autre co-auteur basé à l’Université de Durham. « C’est donc particulièrement important de chercher de nouvelles manières d’explorer les modèles qui la décrivent. L’astronomie basée sur les ondes gravitationnelles nous offrira ainsi de nouvelles manières de comprendre la matière noire, mais aussi la formation et l’évolution des galaxies en général », conclut-il.

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