Des chercheurs russes ont pu, pour la première fois, mesurer la quantité de matière noire que l’Univers a perdue depuis le Big Bang, il y a quelque 13,7 milliards d’années, et calculer que jusqu’à 5 % de la matière noire pourrait s’être détériorée.
Cette découverte pourrait expliquer l’un des plus grands mystères de la physique, à savoir pourquoi notre Univers semble fonctionner d’une manière légèrement différente de ce qu’il était dans les années qui ont suivi le Big Bang, et elle pourrait également donner un aperçu de la manière dont il pourrait continuer à évoluer à l’avenir.
“L’écart entre les paramètres cosmologiques de l’Univers moderne et de l’Univers peu après le Big Bang peut s’expliquer par le fait que la proportion de matière noire a diminué”, a déclaré le co-auteur Igor Tkachev, de l’Institut de recherche nucléaire de Moscou.
“Nous avons maintenant, pour la première fois, été en mesure de calculer la quantité de matière noire qui aurait pu être perdue, et quelle serait la taille correspondante de la composante instable.”
Le mystère entourant la matière noire a été évoqué pour la première fois dans les années 1930, lorsque les astrophysiciens et les astronomes ont observé que les galaxies se déplaçaient de manière étrange, semblant être sous l’effet d’une gravité bien plus importante que celle qui pouvait être expliquée par la matière et l’énergie visibles dans l’Univers.
Cette force gravitationnelle doit bien venir de quelque part. Les chercheurs ont donc créé un nouveau type de “matière noire” pour décrire la masse invisible responsable des phénomènes dont ils étaient témoins.
L’hypothèse actuelle stipule que l’Univers est composé de 4,9 % de matière normale – ce que nous pouvons voir, comme les galaxies et les étoiles -, de 26,8 % de matière noire et de 68,3 % de matière noire
Mais même si la majorité de la matière prévue dans l’Univers est en fait de la matière noire, on sait très peu de choses sur la matière noire – en fait, les scientifiques n’ont toujours pas été capables de prouver qu’elle existe réellement.
L’une des façons dont les scientifiques étudient la matière noire consiste à examiner le fond diffus cosmologique (CMB), que certains appellent “l’écho du Big Bang”. Le CMB est le rayonnement thermique laissé par le Big Bang, ce qui en fait une sorte de capsule temporelle astronomique que les chercheurs peuvent utiliser pour comprendre l’Univers naissant.
Le problème est que les paramètres cosmologiques qui régissent le fonctionnement de notre Univers – tels que la vitesse de la lumière et la façon dont la gravité fonctionne – semblent différer très légèrement dans le CMB par rapport aux paramètres que nous savons exister dans l’Univers moderne.
“Cette variance était nettement supérieure aux marges d’erreur et aux erreurs systématiques que nous connaissons”, explique Tkachev. “Par conséquent, soit nous avons affaire à une sorte d’erreur inconnue, soit la composition de l’univers ancien est considérablement différente de celle de l’Univers moderne.”
L’une des hypothèses qui pourrait expliquer pourquoi l’Univers primitif était si différent est l’hypothèse de la ” matière noire en décomposition ” (DDM) – l’idée que la matière noire a lentement disparu de l’Univers.
C’est exactement ce que Tkachev et ses collègues ont entrepris d’analyser à un niveau mathématique, en cherchant à déterminer dans quelle mesure la matière noire a pu se désintégrer depuis la création de l’Univers.
L’auteur principal de l’étude, Dmitry Gorbunov, également de l’Institut de recherche nucléaire, explique :
“Imaginons que la matière noire soit constituée de plusieurs composants, comme dans la matière ordinaire (protons, électrons, neutrons, neutrinos, photons). Et l’un de ces composants est constitué de particules instables dont la durée de vie est plutôt longue.
À l’époque de la formation de l’hydrogène, des centaines de milliers d’années après le Big Bang, elles sont encore présentes dans l’Univers, mais aujourd’hui (des milliards d’années plus tard), elles ont disparu, s’étant désintégrées en neutrinos ou en hypothétiques particules relativistes. Dans ce cas, la quantité de matière noire à l’époque de la formation de l’hydrogène et aujourd’hui sera différente.”
Pour parvenir à un chiffre, l’équipe a analysé les données issues des observations du télescope Planck sur le CMB, et les a comparées à différents modèles de matière noire comme le DDM.
Ils ont constaté que le modèle DDM décrit avec précision les données d’observation trouvées dans l’Univers moderne par rapport à d’autres explications possibles de la raison pour laquelle notre Univers semble si différent aujourd’hui par rapport à ce qu’il était juste après le Big Bang.
L’équipe a pu pousser l’étude plus loin en comparant les données du CMB aux études observationnelles modernes de l’Univers et en corrigeant les erreurs pour tenir compte de divers effets cosmologiques, tels que l’effet de lentille gravitationnel, qui peut amplifier des régions de l’espace grâce à la façon dont la gravité peut courber la lumière.
Au final, ils suggèrent que l’Univers a perdu entre 2 et 5 % de sa matière noire depuis le Big Bang, en raison de la désintégration de ces hypothétiques particules de matière noire au fil du temps.
“Cela signifie que dans l’Univers d’aujourd’hui, il y a 5 % de matière noire en moins qu’à l’époque de la recombinaison”, conclut Tkachev.
“Nous ne sommes actuellement pas en mesure de dire à quelle vitesse cette partie instable s’est désintégrée ; il se peut que la matière noire se désintègre encore aujourd’hui, bien qu’il s’agisse d’un modèle différent et considérablement plus complexe.”
Ces résultats suggèrent que la matière noire se désintègre au fil du temps, ce qui fait que l’Univers se déplace de manière différente que par le passé, bien que les résultats nécessitent des recherches extérieures supplémentaires avant d’affirmer quoi que ce soit avec certitude.
Quoi qu’il en soit, cette recherche constitue un pas de plus vers la compréhension de la nature de la matière noire et la résolution de l’un des plus grands mystères de la science, à savoir pourquoi l’Univers ressemble à ce qu’il est et comment il évoluera à l’avenir.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans Physical Review D.