Les physiciens qui tentent de comprendre la structure fondamentale de la nature s’appuient sur des cadres théoriques cohérents, capables d’expliquer ce que nous voyons et de faire simultanément des prédictions que nous pouvons tester.
À la plus petite échelle des particules élémentaires, le modèle standard de la physique des particules constitue la base de notre compréhension
À l’échelle du cosmos, une grande partie de notre compréhension repose sur le “modèle standard de la cosmologie “.
Fondé sur la théorie de la relativité générale d’Einstein, il postule que la majeure partie de la masse et de l’énergie de l’univers est constituée de substances mystérieuses et invisibles appelées matière noire (qui représente 80 % de la matière de l’univers) et énergie noire.
Au cours des dernières décennies, ce modèle a remarquablement réussi à expliquer un large éventail d’observations de notre univers.
Pourtant, nous ne savons toujours pas ce qui compose la matière noire – nous savons seulement qu’elle existe grâce à l’attraction gravitationnelle qu’elle exerce sur les amas de galaxies et d’autres structures.
Un certain nombre de particules ont été proposées comme candidates, mais nous ne pouvons pas dire avec certitude laquelle ou lesquelles de ces particules constituent la matière noire.
Aujourd’hui, les neutrinos sont susceptibles de constituer une partie de la matière noire – ce qui remet en question notre compréhension actuelle de sa composition. Notre nouvelle étude – qui laisse entrevoir que des particules extrêmement légères appelées
Chaud ou froid ?
Selon le modèle standard, la matière noire est “froide”. Cela signifie qu’elle est constituée de particules relativement lourdes dont le mouvement initial était lent.
Par conséquent, il est très facile pour des particules voisines de s’assembler pour former des objets liés par la gravité.
Le modèle prédit donc que l’univers devrait être rempli de petits “halos” de matière noire, dont certains fusionneront et formeront des systèmes de plus en plus massifs, rendant le cosmos “grumeleux”.
Cependant, il n’est pas impossible qu’au moins une partie de la matière noire soit “chaude”.
Il s’agirait de particules relativement légères qui ont des vitesses assez élevées, ce qui signifie que les particules pourraient facilement s’échapper de régions denses comme les galaxies.
Cela ralentirait l’accumulation de nouvelle matière et conduirait à un univers où la formation de structure est supprimée (moins grumeleux).
Les neutrinos, qui filent à des vitesses extrêmement élevées, sont un bon candidat pour la matière noire chaude.
En particulier, ils n’émettent ni n’absorbent la lumière, ce qui les fait paraître “sombres”.
On a longtemps supposé que les neutrinos, qui existent en trois espèces différentes, n’avaient pas de masse.
Mais des expériences ont démontré qu’ils peuvent changer (osciller) d’une espèce à l’autre.
Fait important, les scientifiques ont montré que ce changement exige qu’ils aient une masse – ce qui en fait un candidat légitime pour la matière noire chaude.
Cependant, au cours des dernières décennies, les expériences de physique des particules et divers arguments astrophysiques ont exclu que les neutrinos constituent la majeure partie de la matière noire de l’univers.
Qui plus est, le modèle standard suppose que les neutrinos (et la matière noire chaude en général) ont une masse si faible que leur contribution à la matière noire peut être complètement ignorée (dans la plupart des cas, elle est supposée être de 0 %).
Et, jusqu’à très récemment, ce modèle a très bien reproduit une grande variété d’observations cosmologiques.
Une image qui change
Au cours des dernières années, la quantité et la qualité des observations cosmologiques ont énormément augmenté.
L’un des exemples les plus marquants est l’émergence des “observations de lentilles gravitationnelles”.
La relativité générale nous apprend que la matière courbe l’espace-temps de sorte que la lumière provenant de galaxies lointaines peut être déviée par des objets massifs situés entre nous et ces galaxies. Les astronomes peuvent mesurer cette déviation afin d’estimer la croissance de la structure (la “grosseur”) de l’univers au cours du temps cosmique.
Ces nouveaux ensembles de données ont offert aux cosmologistes un certain nombre de moyens de tester en détail les prédictions du modèle standard.
Une image qui commence à émerger de ces comparaisons est que la distribution de la masse dans l’univers semble être moins grumeleuse qu’elle ne devrait l’être si la matière noire est entièrement froide.
Cependant, la comparaison entre le modèle standard et les nouveaux ensembles de données n’est peut-être pas aussi simple qu’on le pensait.
En particulier, les chercheurs ont montré que l’apparente grosseur de l’univers n’est pas seulement affectée par la matière noire, mais aussi par des processus complexes qui affectent la matière normale (protons et neutrons).
Les comparaisons précédentes supposaient que la matière normale, qui “ressent” à la fois la gravité et les forces de pression, est distribuée comme la matière noire, qui ne ressent que la gravité.
(Fourni par l’auteur)
Notre nouvelle étude a produit la plus grande suite de simulations informatiques cosmologiques de la matière normale et de la matière noire à ce jour (appelée BAHAMAS).
Nous avons également effectué des comparaisons minutieuses avec un large éventail d’observations récentes.
Nous concluons que l’écart entre les nouveaux ensembles de données d’observation et le modèle standard de matière noire froide est encore plus important que ce qui avait été affirmé précédemment.
Nous avons examiné les effets des neutrinos et de leurs mouvements de manière très détaillée. Comme prévu, lorsque les neutrinos ont été inclus dans le modèle, la formation de structures dans le cosmos a été effacée, rendant l’univers moins grumeleux.
Nos résultats suggèrent que les neutrinos représentent entre 3 % et 5 % de la masse totale de matière noire.
Ce pourcentage est suffisant pour reproduire de manière cohérente une grande variété d’observations, y compris les nouvelles mesures de la lentille gravitationnelle.
Si une fraction plus importante de la matière noire est “chaude”, la croissance de la structure de l’univers est trop freinée.
Ces recherches pourraient également nous aider à résoudre le mystère de la masse d’un neutrino individuel.
À partir de diverses expériences, les physiciens des particules ont calculé que la somme des trois espèces de neutrinos devrait être d’au moins 0,06 électron-volt (une unité d’énergie, similaire au joule).
On peut convertir ce chiffre en une estimation de la contribution totale des neutrinos à la matière noire, qui s’élève à 0,5 %.
Étant donné que nous avons constaté qu’elle est en réalité six à dix fois plus importante que cela, nous pouvons en déduire que la masse des neutrinos devrait plutôt être d’environ 0,3-0,5 eV.
les prochaines expériences de physique des particules.
Si ces mesures corroborent les masses que nous avons trouvées dans nos simulations, ce serait très rassurant, car cela nous donnerait une image cohérente du rôle des neutrinos en tant que matière noire, des plus grandes échelles cosmologiques aux plus petits domaines de la physique des particules.
Ian G. McCarthy, lecteur d’astrophysique, Liverpool John Moores University.