Galaxie d’Andromède. Image:
Pat Gaines via Getty Images
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Les scientifiques ont proposé l’existence d’une nouvelle “cinquième force” pour expliquer un défi déroutant au modèle standard de la cosmologie, également connu sous le nom de modèle de matière noire froide Lambda (ΛCDM), un cadre bien corroboré pour comprendre notre univers, rapporte une nouvelle étude de prépublication.
Cette cinquième force, médiée par une nouvelle particule hypothétique appelée symmétron, pourrait guider de petites galaxies “satellites” sur d’étranges orbites autour de galaxies plus grandes qui défient les prédictions du modèle ΛCDM. En d’autres termes, les petites galaxies capturées par l’attraction gravitationnelle de galaxies plus grandes se retrouvent disposées dans de minces plans plats, ou disques, presque comme les anneaux de Saturne, alors que le modèle suggère qu’elles devraient être réparties sur des orbites désordonnées tout autour de leurs galaxies hôtes. Des satellites sur ces orbites synchronisées ont été observés autour de notre propre galaxie, la Voie lactée, ainsi que de ses voisins galactiques les plus proches, Andromède et Centaurus A.
Les scientifiques ont proposé de nombreuses explications possibles pour ce curieux écart entre la théorie et l’observation, connu sous le nom de “problème du disque satellite” ou “problème des plans des satellites”, qui est l’un des nombreux défis à petite échelle du modèle ΛCDM.
Maintenant, deux chercheurs de l’Université de Nottingham ont présenté ce qu’ils pensent être “la première explication potentielle de la” nouvelle physique “pour les plans observés des satellites qui ne supprime pas la matière noire”, se référant à la substance non identifiée qui compose la majeure partie de la masse de l’univers, selon une nouvelle étude publiée sur le preprint serveur arXiv.
Aneesh Naik, chercheur à l’Université de Nottingham qui a dirigé l’étude, a déclaré que la nouvelle solution a émergé de discussions avec ses collègues qui étudient la physique des particules, y compris le co-auteur et physicien de l’Université de Nottingham Clare Burrage, ainsi que sa propre expertise en tant que astrophysicien.
“J’ai fait mon doctorat en astronomie et ma thèse portait sur la dynamique galactique et réfléchissait à la façon dont on peut utiliser la dynamique galactique pour résoudre certains problèmes de physique fondamentaux”, a déclaré Naik lors d’un appel. “Quand je suis arrivé à la fin de mon doctorat, j’étais à un endroit où je réfléchissais beaucoup à ce genre de défis à petite échelle pour ΛCDM.”
En effet, Naik et Burrage notent que bien que le modèle ΛCDM soit “un paradigme fantastiquement réussi, représentant une myriade d’observations indépendantes à différentes échelles”, mais que “des problèmes commencent à apparaître lorsque l’on “zoome” à de petites échelles” de galaxies individuelles et leurs satellites », selon leur nouvelle étude, qui n’a pas encore été évaluée par des pairs.
Études antérieures ont souligné l’influence de la toile cosmique, une superstructure géante qui relie l’univers, comme une explication potentielle de la distribution ordonnée des galaxies satellites dans des plans minces autour des galaxies hôtes proches. Les orbites peuvent également être simplement une caractéristique de notre voisinage cosmique local et non une tendance universelle, selon d’autres scientifiques.
Naik et Burrage proposent maintenant que des particules appelées symmétrons pourraient générer une force spéciale qui crée des frontières invisibles dans l’espace, appelées “murs de domaine”. Les symmétrons sont l’une des nombreuses particules spéculatives qui ont été proposées pour combler certains des chaînons manquants du modèle standard, a déclaré Naik, pour aider à expliquer l’existence de la matière noire et de l’énergie noire, qui est un phénomène étrange qui semble rendre le l’univers s’étend à un rythme accéléré.
“Nous savons que nous avons besoin de nouvelles particules parce que nous avons de la matière noire et de l’énergie noire et nous pensons donc que nous allons devoir ajouter de nouvelles particules à notre modèle standard pour tenir compte de ces choses”, a expliqué Naik. “C’est le contexte dans lequel les gens étudient des théories comme la théorie du symmétron – c’est une nouvelle particule candidate pour l’énergie noire et/ou la matière noire.”
Les théories suggèrent que les symmétrons ont subi plusieurs fois ce que l’on appelle des mécanismes de rupture de symétrie au cours de la durée de vie de 13,8 milliards d’années de l’univers. Essentiellement, cela signifie qu’à mesure que l’univers se dilate et devient par conséquent moins dense, ces particules franchissent un seuil de densité qui les amène à basculer leur état d’énergie le plus bas de zéro vers une valeur positive ou négative aléatoire.
“Parce que l’univers n’est pas uniforme, il y aura différentes régions à faible densité qui seront causalement déconnectées, de sorte que cette rupture de symétrie ne se produit pas partout dans l’univers à la fois”, a noté Naik. “Au contraire, ce qui se passera, c’est que certains endroits de l’univers atteindront d’abord ce seuil de densité, et le symmétron laissera sa solution zéro dans cette région, puis dans une région différente et causalement déconnectée, cette rupture de symétrie se produira de manière complètement indépendante. . »
“Il y a 50/50 de chances que deux régions adoptent des valeurs différentes”, a-t-il poursuivi. Finalement, vous arrivez à un point où ces domaines se sont étendus et étendus jusqu’à ce que vous obteniez une sorte d’écume de domaines voisins avec des solutions symmétron positives et négatives. Les murs qui séparent ces domaines avec des solutions différentes sont les murs de domaine. »
Naik et Burrage utilisent des simulations pour montrer que les interactions le long de ces murs exotiques pourraient orienter les galaxies satellites vers les plans inattendus observés autour des galaxies proches. L’équipe fournit une preuve de concept pour l’effet dans l’étude, bien qu’il faudra beaucoup plus de recherches pour renforcer l’hypothèse.
“La prochaine étape de l’enquête consiste à s’aventurer un peu plus dans l’inconnu”, a déclaré Naik. « Ces simulations sont assez simplistes. Les satellites ne sont que des particules ponctuelles, la paroi du domaine est statique et, surtout, il n’y a eu aucune sorte de frottement. »
“Ce que nous pouvons faire, c’est plutôt faire une simulation cosmologique complète appropriée, donc vraiment partir des conditions initiales cosmologiques et simuler la formation de notre groupe local [of galaxies] ou avoir un système qui ressemble beaucoup à un groupe local », a-t-il poursuivi. “Ce que vous pouvez alors voir, c’est s’il est effectivement naturel que des murs de domaine se forment dans notre groupe local et si ce que vous avez est la formation de ces plans.”
Naik a ajouté que c’est “une question ouverte” de savoir si les murs de domaine hypothétiques seraient même suffisamment stables pour traverser des structures imposantes telles que les galaxies de la Voie lactée ou d’Andromède, ce qui est encore une autre énigme qui devra être résolue dans de futures études.
Les réponses à ces mystères non résolus sont des pièces importantes du puzzle qu’est notre univers. Ils peuvent inspirer des ajouts ou des corrections au modèle ΛCDM, ou peut-être même un remplacement en gros de ce cadre physique solide. Après tout, le problème des avions de satellites n’est pas le seul défi pour ΛCDM, et d’autres pourraient bien survenir à l’avenir.
À cette fin, la nouvelle étude ne représente peut-être qu’une étape vers une meilleure compréhension du modèle standard, mais Naik a conclu qu’il existe également un “contexte plus large intéressant” qui nécessite une exploration plus approfondie de tous les endroits où ΛCDM semble s’effondrer sur la galaxie. balances. »