Comment JWST testera des modèles de matière noire froide

Le matin de Noël 2021, une fusée Ariane 5 CEA a décollé de Kourou, en Guinée française. Il emportait avec lui le télescope spatial le plus grand et le plus sophistiqué jamais construit : le télescope spatial James Webb.

Depuis lors, JWST a atteint son orbite à environ 1 million de kilomètres de la Terre, déployé son pare-soleil de la taille d’un court de tennis et aligné ses 18 segments de miroir hexagonaux. Les premières images du télescope sont attendues pour l’été.

Au cours de la prochaine décennie, le JWST fera des observations de pointe pour aider les scientifiques à répondre à une myriade de questions en suspens en astronomie, y compris des questions sur la nature de la matière noire.

Chaud, tiède ou froid

La matière noire est une substance énigmatique qui, selon les scientifiques, représente 85 % de la matière de l’univers. Mais jusqu’à présent, il n’a pas été observé directement; les scientifiques ne peuvent déduire la présence de matière noire qu’en observant ses effets gravitationnels sur la matière normale.

Différentes théories postulent différents types de particules de matière noire. Les candidats de matière noire considérés comme “chauds” ou “chauds” sont des particules qui se seraient déplacées si rapidement dans l’univers primitif que la gravité n’aurait pas pu les confiner. D’un autre côté, on pense que les candidats de matière noire considérés comme “froids” se sont déplacés si lentement que la gravité les aurait formés en petites structures de matière noire qui auraient finalement fusionné en plus grandes et “agglomérées”.

“Des décennies de simulations informatiques ont testé la façon dont la structure se forme et se développe sous l’hypothèse de la matière noire froide”, explique Matthew Walker, professeur agrégé de physique à l’Université Carnegie Mellon.

Les simulations de matière noire froide montrent que la matière noire s’agglutine en petites gouttes, qui rencontrent d’autres gouttes et fusionnent ensemble, faisant continuellement boule de neige jusqu’à ce que de grandes structures comme la Voie lactée se forment. Ces gouttes de matière noire liées gravitationnellement sont connues sous le nom de halos.

JWST peut voir votre halo

Anna Nierenberg, professeure adjointe de physique à l’Université de Californie, Merced, a obtenu 39 heures d’observation au cours du cycle 1 du JWST pour rechercher de petits halos de matière noire.

De nombreux modèles, y compris le modèle de base de la matière noire, prédisent l’existence de petits (107 masse solaire) halos qui ne contiennent pas réellement de galaxies. Un tel halo serait “juste une goutte de matière noire” sans étoiles à l’intérieur, dit Nierenberg.

S’il n’y a pas d’étoiles dans ces gouttes de matière invisible, comment pouvons-nous même essayer de les détecter ? Nierenberg et son équipe de près de 20 scientifiques aux États-Unis, au Canada, au Royaume-Uni, en Suisse, en Espagne, en Belgique et au Chili utilisent un phénomène appelé lentille gravitationnelle.

Née de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, la lentille gravitationnelle dit que la matière plie l’espace-temps et, par conséquent, toute lumière qui la rencontre. Si la lumière d’une source lointaine traverse l’univers vers la Terre et passe à côté d’un objet massif – comme une goutte de matière noire – la lumière sera déformée autour de lui. Si l’objet dans l’objet est suffisamment massif, la lumière est déviée de telle manière que nous verrons jusqu’à quatre images de la source lumineuse apparaissant autour de la masse.

Le groupe de Nierenberg mesurera le nombre de petits halos de matière noire en observant un échantillon de quasars (trous noirs supermassifs à des distances cosmologiques entourés de disques d’accrétion poussiéreux) qui ont subi une lentille gravitationnelle. Détecter de petits halos serait un triomphe pour la théorie de la matière noire froide ; à l’inverse, ne pas détecter de petits halos impliquerait que la matière noire froide n’existe pas.

Parce que la lumière de ces quasars doit parcourir une grande distance dans un univers en constante expansion, elle est étirée en cours de route, tirant ses longueurs d’onde dans la gamme infrarouge. Les longueurs d’onde de l’infrarouge moyen qu’ils observent sont presque impossibles à voir avec des télescopes au sol. “Nous allons observer avec les bandes les plus rouges absolues que JWST peut accueillir”, déclare Nierenberg.

Ces longueurs d’onde ne peuvent pas être observées par le télescope spatial Hubble, qui étudie la lentille gravitationnelle aux longueurs d’onde visibles. Et les télescopes spatiaux plus anciens qui peuvent voir dans l’infrarouge moyen n’ont pas la résolution nécessaire pour séparer les différentes lentilles. Faire ces observations dans le milieu de l’IR nécessite la haute résolution spatiale que seul le JWST peut fournir, dit Nierenberg.

Daniel Gilman, postdoctorant à l’Université de Toronto et l’un des co-chercheurs de Nierenberg, déclare : « Le type de données que nous pouvons obtenir avec JWST est unique et beaucoup plus puissant ou contraignant que le type de données que nous pourrions obtenir avec Hubble. ou du sol. »

Nierenberg dit: “Je crois vraiment que cela va être un énorme pas en avant scientifique.”

Regarder loin et loin

Walker dirige un autre projet sur la matière noire dans le cycle 1 du JWST, mais son groupe n’a pas demandé de temps d’observation. Au lieu de cela, ils utilisent des données que JWST collecte pour d’autres programmes.

La “recherche archivistique” du groupe de Walker étudie l’intérieur des galaxies naines pour trouver de larges étoiles binaires, des systèmes de deux étoiles en orbite l’une autour de l’autre à des distances relativement grandes (de l’ordre d’un parsec, légèrement inférieure à la distance entre le soleil et notre voisin le plus proche, Proxima Centaures).

“Parce que [wide binary stars] sont si éloignés, ce sont des systèmes très fragiles », explique Walker. “Si, par exemple, un petit halo de matière noire devait survoler un large système d’étoiles binaires, il pourrait échanger de l’énergie avec l’une ou les deux étoiles de ce système. Et il suffit d’une petite fraction d’une fraction de pourcentage d’augmentation de l’énergie de l’une ou l’autre des étoiles pour déchirer la paire. »

Si l’équipe de Walker trouve de larges étoiles binaires, “nous pouvons être raisonnablement sûrs que ces halos de matière noire froide sous-galactique n’existent pas”, dit-il. “Et cela, alors, serait un vrai problème pour le modèle de matière noire froide en général.”

C’est ce que Katharine Lee, étudiante en physique junior à Carnegie Mellon dans le groupe de Walker, aime dans le projet. “Je pense en particulier que cette recherche est vraiment intéressante car le cadre actuel de ce que nous considérons comme la structure de la matière noire est le modèle de la matière noire froide, et les recherches menées par le professeur Walker pourraient potentiellement l’invalider.”

Si le groupe n’a pas trouvé d’étoiles binaires larges, cela pourrait être un signe qu’elles ont été détruites par la matière noire. Mais cela ne prouverait pas qu’ils ont été détruits – ils ne se sont peut-être jamais formés dans ces galaxies naines.

Walker dit que JWST est un outil idéal pour cette recherche en raison de sa “sensibilité exquise aux objets faibles”, ainsi que de la capacité du télescope à prendre des images de haute qualité et à distinguer des paires de sources à de très petites séparations. Et grâce à son miroir primaire de 21 pieds de diamètre, JWST verra plus loin que tout autre télescope jamais construit.

“Je pense que JWST va nous donner un angle nouveau et vraiment puissant”, déclare Jorge Peñarrubia, professeur à l’Université d’Edimbourg et l’un des co-chercheurs de Walker. “Mais même si cela échoue, nous trouverons d’autres moyens.”

En effet, il existe de nombreuses autres techniques que les scientifiques utilisent pour rechercher la matière noire, y compris les recherches directes par des expériences de physique. Et Nierenberg et Walker utilisent tous deux la lentille gravitationnelle et les méthodes d’étoiles binaires larges sur les données du télescope spatial Hubble en attendant que JWST ouvre les yeux.

Les futurs programmes scientifiques du JWST pourraient explorer davantage les mystères de la matière noire, que ce soit par lentille gravitationnelle ou peut-être en observant des statistiques sur l’évolution des galaxies que les scientifiques pourront ensuite comparer aux théories de la matière noire.

« Nous ne manquons pas de théories sur ce que pourrait être la matière noire. Il y en a beaucoup », dit Gilman. “Ce qui nous manque, ce sont des observations qui exercent beaucoup de pouvoir contraignant sur ces théories. Et c’est quelque chose que JWST va nous donner. »

Leave a Comment