Que savons-nous de la composition de l’univers ?

Que savons-nous de la composition de l'univers ?
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Il est plutôt embarrassant d’admettre qu’au cours du siècle dernier, les cosmologistes ont été incapables de comprendre de quoi est faite la majeure partie de la matière dans l’univers. La matière ordinaire dont nous sommes faits et que nous partageons avec des objets familiers comme les comètes, les astéroïdes, les planètes et le gaz interstellaire ne représente qu’un sixième du budget de masse cosmique de toute la matière. Le reste est de la matière invisible, ne montrant aucune interaction détectable avec la matière ordinaire.

Depuis sa découverte en 1933 par Fritz Zwicky, la matière noire représente une anomalie inexpliquée dans nos observations de l’Univers. Son existence a d’abord été ignorée pendant quatre décennies par le courant dominant de la science. Il est remarquable que cette forme de matière dont la nature nous est inconnue, arrive à dominer le budget de masse de la matière dans l’univers.

On suppose que cette matière est composée de particules massives qui se sont refroidies à une très basse température à la suite de l’expansion cosmique au moment où les galaxies ont commencé à se former. Le modèle est en accord avec la plupart des données cosmologiques, y compris l’image de l’univers alors qu’il n’avait que 380 000 ans sous la forme des fluctuations de luminosité du fond diffus cosmologique. À petite échelle, la modélisation prédit de manière générique des pointes de densité de matière noire au centre de toutes les galaxies, ainsi qu’une grande abondance de galaxies naines jusqu’à des masses des millions de fois plus petites que la Voie lactée.

Il existe de multiples indices provenant de données d’observation à petite échelle qui s’écartent de ces prédictions génériques. Par exemple, les galaxies naines ont tendance à montrer un noyau plutôt qu’une cuspide de densité en leur centre, même si elles sont dominées par la matière noire et que leur abondance est inférieure aux attentes. Un moyen simple de remédier à la situation, proposé il y a deux décennies, est que les particules de matière noire se dispersent et lissent les cuspides au centre des galaxies naines. L’auto-interaction des particules de matière noire n’est pas nécessaire dans les grands systèmes tels que les amas de galaxies, où la matière noire a été découverte pour la première fois.

La principale différence entre ces systèmes dominés par la matière noire réside dans les vitesses caractéristiques des particules (alors que les galaxies naines possèdent des puits de potentiel gravitationnel peu profonds dans lesquels les particules se déplacent à une vitesse caractéristique de 10 kilomètres par seconde, les amas de galaxies sont des millions de fois plus massif — avec des particules se déplaçant cent fois plus vite).

Il y a dix ans, j’ai proposé dans un article avec le professeur Neal Weiner de NYU que peut-être la matière noire a des interactions intrinsèques similaires aux particules chargées électriquement, comme les électrons ou les protons. Nous avons lié ce comportement possible aux propriétés intrinsèques des particules inconnues et à leur auto-interaction, à savoir une nouvelle physique au-delà du modèle standard des particules. Mais pourquoi la matière noire interagirait-elle si fortement avec elle-même ? Qu’implique son auto-interaction ? Est-ce une nouvelle force de la nature ?

Un article récent plaide en faveur de la matière noire auto-interagissante sur la base des dernières données sur les galaxies naines de la Voie lactée. Cela m’a fait penser s’il pourrait y avoir un moyen plus simple d’expliquer l’auto-interaction, et j’en ai identifié un avec plaisir. L’interaction ne nécessite pas une nouvelle force de la nature mais pourrait simplement impliquer la gravité, que nous savons que la matière noire respecte parce que c’est l’interaction qui a permis sa découverte en premier lieu.

Donc, si la matière noire est constituée d’objets qui pèsent dix mille fois la masse du Soleil, alors ces objets se disperseraient gravitationnellement avec une section transversale de dix centimètres carrés par gramme pour la vitesse caractéristique de dix kilomètres par seconde en galaxies naines. En prime, la section efficace de la diffusion gravitationnelle diminue inversement avec la vitesse à la quatrième puissance, de la même manière que celle des particules chargées. Cela peut expliquer pourquoi l’auto-interaction de la matière noire a des conséquences négligeables pour les amas de galaxies, comme expliqué dans mon propre article récent.

Si la matière noire est bien organisée en objets massifs, la question est pourquoi ? Une possibilité est que ces objets aient été fabriqués à l’origine par une transition de phase dans l’univers primitif.

Les caractéristiques de la matière noire sont similaires à la découverte d’anomalies dans `Oumuamua, le premier objet interstellaire repéré près de la Terre. La matière noire et les objets interstellaires anormaux sont inconnus mais pourtant abondants. L’univers est plus riche que notre expérience terrestre limitée.

Afin d’apprendre de nouvelles expériences, nous devons faire taire l’ego des experts qui ont tendance à expliquer les anomalies en se basant sur les connaissances passées. Ils soulèvent souvent de la poussière qui empêche tout le monde d’avoir une vue dégagée. Une fois la poussière retombée, nous avons généralement de nouvelles idées sur notre voisinage cosmique.

Avi Loeb est à la tête de Harvard Projet Galileo, une recherche scientifique systématique de preuves d’artefacts technologiques extraterrestres. Loeb est le directeur fondateur de Harvard Black Hole Initiative, directeur de l’Institute for Theory and Computation du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, et il préside le conseil consultatif du projet Breakthrough Starshot. Il est l’auteur de “Extraterrestre : le premier signe de vie intelligente au-delà de la Terre.”

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