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En observant des images de HS 0810+2554, un quasar lointain, les scientifiques ont détecté la présence d'une matière noire ondulatoire. La matière noire représente environ 27% de l'univers, mais sa nature exacte demeure un mystère. On sait qu'elle existe en raison de ses effets gravitationnels observables à grande échelle, notamment sur le mouvement des galaxies et la déformation de la lumière autour d'elles.
Les anneaux d'Einstein sont un exemple de phénomène lumineux résultant de la gravité. Lorsque la lumière d'une source lointaine traverse l'espace et passe près d'un objet massif, la gravité de cet objet courbe la lumière. Dans certains cas, cela forme un anneau presque parfait autour de l'objet, révélant des éléments autrement cachés.
Quasars à lentille gravitationnelle. L'équipe a étudié le quasar en haut à droite. Image: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) et T. Treu (UCLA)
Il existe plusieurs candidats pour expliquer la matière noire, parmi lesquels les WIMPs (particules massives interagissant faiblement) et les axions. Les WIMPs sont des particules théoriques ayant une masse, mais interagissant très peu avec la matière ordinaire. Les axions, quant à eux, sont des particules théoriques (des bosons) plus petites que les WIMPs et supposées se comporter davantage comme des ondes que comme des particules, à l'image des photons.
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont cherché à comprendre pourquoi les quasars à lentille gravitationnelle fluctuent en luminosité. Ils ont découvert que la matière noire ondulatoire était en mesure de reproduire de manière fiable les anomalies de luminosité d'un quasar nommé HS 0180+2554. Cette découverte penche en faveur des axions en tant que candidats pour la matière noire et remet en question le paradigme des WIMPs.
La matière noire n'est pas prise en compte dans le Modèle Standard de la physique des particules, qui décrit les quatre forces fondamentales et le comportement des plus petites particules connues. Ce modèle ne prend pas non plus en compte la gravité, qui ne semble pas exister à l'échelle subatomique, soulevant d'autres questions sur la manière dont la matière noire, ondulatoire ou massive, affecte gravitationnellement son environnement.
En comparant des images simulées des deux modèles de matière noire, l'équipe a constaté que le modèle des WIMPs prédisait des courbes lisses pour l'anneau d'Einstein, tandis que le modèle de la matière noire ondulatoire présentait un bord beaucoup plus chaotique et amorphe. Ce bord chaotique correspond aux fluctuations de luminosité observées dans le quasar.
Bords simulés des anneaux d'Einstein dans les modèles de matière noire WIMP (à gauche) et ondulatoire (à droite).
Image: Amruth et al. 2023, Nature Astronomy
Bien que l'équipe n'ait testé qu'un seul quasar, ces résultats suggèrent que la matière noire ondulatoire pourrait être généralement applicable à un vaste éventail d'anomalies de lentilles observées dans différents systèmes. Les chercheurs étudient actuellement des anomalies de luminosité dans une supernova à lentille et leurs premiers résultats suggèrent que la matière noire ondulatoire pourrait en être responsable.
Cela ne signifie pas que la matière noire de type WIMP n'existe pas, mais simplement qu'elle ne semble pas être impliquée dans certains phénomènes de lentilles gravitationnelles. Des observations et des modélisations supplémentaires sont nécessaires, mais avec de nouveaux observatoires comme le télescope spatial James Webb, le Rubin Observatory et le Roman Space Telescope. Certaines questions sur la nature de la matière noire pourraient bientôt trouver une réponse.
Référence
Einstein rings modulated by wavelike dark matter from anomalies in gravitationally lensed images - Nature Astronomy