Concept d'astrophysique de la matière sombre

Une étude menée par UC Riverside a révélé que la théorie de la matière noire auto-interagissante explique pourquoi deux galaxies ont moins de matière noire que d’autres.

Une nouvelle théorie sur la nature de la matière noire aide à expliquer pourquoi une paire de galaxies à environ 65 millions d’années-lumière de la Terre contient très peu de matière mystérieuse, selon une étude menée par un physicien de l’Université de Californie à Riverside.

La matière noire n’est pas lumineuse et ne peut pas être vue directement. Pensé pour représenter 85% de la matière dans l’univers, sa nature n’est pas bien comprise. Contrairement à la matière normale, elle n’absorbe, ne réfléchit ni n’émet de lumière, ce qui la rend difficile à détecter.

La théorie dominante de la matière noire, connue sous le nom de matière noire froide, ou MDP, suppose que les particules de matière noire sont sans collision, en dehors de la gravité. Une seconde théorie plus récente, appelée matière noire auto-interagissante, ou SIDM, propose que les particules de matière noire interagissent automatiquement par le biais d’une nouvelle force sombre. Les deux théories expliquent comment la structure globale de l’univers émerge, mais elles prédisent différentes distributions de matière noire dans les régions internes d’une galaxie. SIDM suggère que les particules de matière noire se heurtent fortement les unes aux autres dans le halo interne d’une galaxie, près de son centre.

Hai-Bo Yu, Université de Californie - Riverside

Hai-Bo Yu est un physicien théoricien spécialisé dans les propriétés des particules de la matière noire. Crédits: Samantha Tieu

En règle générale, une galaxie visible est hébergée par un halo de matière noire invisible – un amas concentré de matière, en forme de boule, qui entoure la galaxie et est maintenu ensemble par les forces gravitationnelles. Des observations récentes de deux galaxies ultra-diffuses, NGC 1052-DF2 et NGC 1052-DF4, montrent cependant que cette paire de galaxies contient très peu, voire aucune, de matière noire, ce qui remet en question la compréhension des physiciens de la formation des galaxies. Les observations astrophysiques suggèrent que NGC 1052-DF2 et NGC 1052-DF4 sont probablement des galaxies satellites de NGC1052.

“On pense généralement que la matière noire domine la masse globale d’une galaxie”, a déclaré Hai-Bo Yu, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’UCR, qui a dirigé l’étude. «Les observations de NGC 1052-DF2 et -DF4 montrent cependant que le rapport de leur matière noire à leurs masses stellaires est d’environ 1, ce qui est 300 fois plus faible que prévu. Pour résoudre cet écart, nous avons considéré que les halos DF2 et DF4 pourraient perdre la majorité de leur masse en raison des interactions de marée avec l’énorme galaxie NGC 1052. »

À l’aide de simulations sophistiquées, l’équipe dirigée par l’UCR a reproduit les propriétés de NGC 1052-DF2 et NGC 1052-DF4 par le décapage des marées – le dépouillement du matériau par les forces de marée galactiques – par NGC1052. Parce que les galaxies satellites ne peuvent pas contenir la masse dépouillée avec leurs propres forces gravitationnelles, elle est effectivement ajoutée à la masse de NGC 1052.

Les chercheurs ont examiné à la fois les scénarios MDP et SIDM. Leurs résultats, publiés dans Physical Review Letters, indiquent que le SIDM forme des galaxies déficientes en matière noire comme NGC 1052-DF2 et -DF4 beaucoup plus favorablement que CDM, car la perte de masse de marée du halo interne est plus significative et la distribution stellaire est plus diffuse dans SIDM.

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Yu a expliqué qu’une perte de masse de marée pouvait se produire dans les halos CDM et SIDM. Dans le CDM, la structure du halo interne est «rigide» et résiliente au stripping de marée, ce qui rend difficile pour un halo CDM typique de perdre une masse interne suffisante dans le champ de marée pour accueillir les observations de NGC 1052-DF2 et -DF4. En revanche, dans le SIDM, les auto-interactions de matière noire pourraient pousser les particules de matière noire de l’intérieur vers les régions externes, rendant le halo interne plus «moelleux» et augmentant la perte de masse de marée en conséquence. De plus, la distribution stellaire devient plus diffuse.

«Un halo MDP typique reste trop massif dans les régions intérieures même après l’évolution des marées», a déclaré Yu.

Ensuite, l’équipe effectuera une étude plus approfondie du système NGC 1052 et explorera les galaxies nouvellement découvertes avec de nouvelles propriétés dans le but de mieux comprendre la nature de la matière noire.

Référence: «Matière sombre auto-interagissante et l’origine des galaxies ultradiffusées NGC1052-DF2 et -DF4» par Daneng Yang, Hai-Bo Yu et Haipeng An, 9 septembre 2020, Lettres d’examen physique.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.111105

Yu a été rejoint dans l’étude par Daneng Yang et Haipeng An de l’Université Tsinghua à Beijing, en Chine. Yu a bénéficié de subventions du Département américain de l’énergie et de la National Science Foundation des États-Unis.