Dans la lumière d'une étoile monstre, un soupçon d'obscurité | Magazine Quanta

En octobre dernier, alors que le télescope spatial James Webb effectuait ses premières longues poses du ciel près de la constellation de l'Eridan, les astronomes ont commencé à reconstituer l'histoire d'un point de lumière faible et vacillant qui semblait émerger des recoins les plus profonds de l'univers.

Quoi qu’il en soit, elle a brillé trop longtemps pour être une supernova ; une seule étoile était également retirée de la table. "C'est comme si vous étiez probablement dans l'un de ces films CSI, que vous étiez un détective", a déclaré José María Diego, astrophysicien à l'Institut de physique de Cantabrie en Espagne qui a travaillé au déchiffrement du signal. « Vous avez beaucoup de suspects sur la table et vous devez les éliminer un par un. »

Diego et ses collègues ont récemment rapporté que la faible tache de lumière semble provenir de un système stellaire extrême ils ont surnommé Mothra – une paire d’étoiles supergéantes qui, à leur apogée, il y a 10 milliards d’années, surpassaient presque tout le reste de leur galaxie.

À cette époque, l’univers entier était plus jeune que la Terre ne l’est aujourd’hui ; notre planète n'a commencé à fusionner qu'après que les photons Mothra aient atteint la moitié de leur voyage cosmique vers un monde qui développerait un télescope spatial géant sensible à l'infrarouge juste à temps pour capter leur lumière. Détecter la lumière émise par des systèmes stellaires individuels, ce qui était autrefois impossible. Mais Mothra, nommé d'après un monstre kaiju inspiré des papillons de nuit à soie, n'est que le dernier d'une série récente de systèmes stellaires les plus anciens, les plus éloignés et généralement superlatifs que les astronomes ont trouvés dans les images du JWST et du télescope spatial Hubble. Et d'un autre côté, alors que Mothra et ses frères bestiaux sont des objets astrophysiques intrigants à part entière, ce qui excite le plus Diego, c'est que la lumière des étoiles monstres semble révéler une classe d'objets très différente flottant entre elle et la Terre : un objet autrement invisible. La motte de matière noire dont lui et ses collègues ont calculé qu'elle pèse entre 10,000 2.5 et XNUMX millions de fois la masse du soleil.

Si un tel objet existe réellement – ​​une conclusion préliminaire pour l’instant – il pourrait aider les physiciens à affiner leurs théories sur la matière noire et peut-être, peut-être, à résoudre le mystère de la masse inexpliquée de l’univers.

Depuis 2023, les efforts de laboratoire visant à rechercher des particules individuelles de matière noire se sont révélés vains, laissant à certains astrophysiciens le sombre soupçon pragmatique que la seule façon pour les humains de mettre un pied à coulisse sur la substance mystérieuse pourrait être d'étudier ses effets gravitationnels sur l'univers au sens large. L'équipe de Diego et d'autres recherchent donc les contours fantomatiques des objets sombres du cosmos. Ils espèrent identifier les plus petits amas de matière noire qui existent – ​​ce qui dépend à son tour de la physique de base de la particule de matière noire elle-même. Mais les morceaux de matière noire pure ne se présentent pas seulement aux astronomes ; les équipes utilisent des astuces d’observation pour extraire ces ombres des ombres. Aujourd’hui, les astronomes se concentrent sur des phénomènes cosmiques allant des lentilles gravitationnelles déformant l’espace – le genre de loupe invisible dominée par la matière noire qui a révélé Mothra – aux flux d’étoiles flottants, semblables à des rubans, beaucoup plus proches de chez nous. Jusqu’à présent, ces efforts ont exclu de nombreuses variantes d’un ensemble populaire de modèles appelés « matière noire chaude ».

"Vous ne pouvez pas toucher à la matière noire", a déclaré Anna Nierenberg, astrophysicien à l'Université de Californie à Merced qui recherche des blobs interstellaires sombres avec JWST. Mais trouver de petites structures faites de ce matériau ? "C'est aussi proche que possible."

Halo, Halo, Halo

Le peu que nous savons sur la matière noire existe sous forme de contours vagues et flous. Des décennies de preuves suggèrent que soit les théories de la gravité sont incomplètes, soit, comme le soutiennent plus souvent les astrophysiciens, une particule de matière noire hante l'univers. Dans une observation classique, les étoiles semblaient courir à la périphérie des galaxies comme si elles étaient soumises à une emprise gravitationnelle bien plus forte que ne le suggère la matière visible. En mesurant les mouvements de ces étoiles et en appliquant d'autres techniques permettant d'identifier les régions de l'espace les plus lourdes, les astronomes peuvent visualiser comment la matière noire de l'univers est distribuée à plus grande échelle.

"Si nous avions des lunettes de protection contre la matière noire", a déclaré Nierenberg, autour de chaque galaxie, nous verrions probablement "une grande structure floue et étendue en forme de pastèque, beaucoup plus grande que la galaxie elle-même". Pour notre propre Voie lactée, les astronomes estiment que ce cocon sombre et diffus – appelé halo – pèse environ un billion de masses solaires et est plus de 10 fois plus large que le disque spiralé d’étoiles de la galaxie.

Cependant, si l’on zoome à des échelles plus petites, la certitude scientifique s’effondre. Le halo de matière noire de la Voie lactée est-il un schmear lisse ? Ou est-il disposé en touffes, appelés sous-halos ? Et si oui, quelle est la taille de ces touffes ?

Les réponses pourraient permettre aux scientifiques d’identifier la véritable nature de la matière noire. Les modèles montrant comment l’univers a fait évoluer sa structure actuelle – une toile cosmique tissée par des chaînes nacrées de galaxies – prédisent que les particules de matière noire, quelles qu’elles soient, se sont rassemblées en petits amas gravitationnellement liés au cours des premières centaines de milliers d’années après le Big Bang. Beaucoup de ces amas ont fusionné et ont finalement attiré de la matière visible. Ceux-ci sont devenus les graines des galaxies. Mais certains des plus petits halos sombres qui n'ont pas fusionné devraient toujours exister en tant que « vestiges de la formation de structures dans l'univers primitif », a déclaré Ethan Nadler, astrophysicien aux observatoires Carnegie et à l'Université de Californie du Sud. "Un peu comme une machine à voyager dans le temps."

Trouver et peser ces amas reliques aiderait les physiciens à mieux maîtriser la physique de base de la matière noire, y compris la masse de la mystérieuse particule et sa « température », un terme quelque peu trompeur qui décrit la vitesse à laquelle les nuages ​​​​de particules individuelles se déplacent.

L’un des principaux suspects dans le mystère de la matière noire est la matière noire froide, une classe de modèles dans laquelle les coupables sont des particules relativement lourdes et lentes ; un exemple est une particule massive à faible interaction, ou WIMP. Si ces théories sont exactes, de telles particules se seraient facilement installées en amas auto-gravitaires dans l'univers primitif, dont certains auraient pu être aussi petits qu'une masse terrestre. Aujourd’hui, ces mini-halos persistants de matière noire devraient encore dériver à l’intérieur et autour du plus grand halo collectif de galaxies comme la Voie lactée.

Mais si des particules de matière noire plus légères traversaient plus rapidement le cosmos primitif, comme le suggèrent une classe concurrente de modèles de matière noire « chaude », seuls des amas plus gros avec une attraction gravitationnelle plus importante auraient pu se former. Ces modèles suggèrent qu'il existe un seuil pour les structures de matière noire, une masse minimale en dessous de laquelle les halos n'existent pas. Ainsi, chaque fois que quelqu’un découvre un nouveau halo sombre, le plus petit connu (comme celui prétendument entre la Terre et Mothra), les théoriciens sont obligés d’exclure des scénarios de plus en plus froids.

Une autre classe populaire de modèles, appelée matière noire floue, suppose juste le murmure d'une particule de matière noire – peut-être 10²⁸ fois plus léger qu’un électron. Des particules hypothétiques appelées axions, par exemple, pourraient avoir cette taille et être relativement froides. Ces poids plumes se comporteraient davantage comme des vagues que comme des particules, se propageant à travers les galaxies. Comme la matière noire chaude, cette incarnation ondulatoire ne formerait pas d’amas liés gravitationnellement à des échelles de masse plus petites que les galaxies. Mais la matière noire ultralégère aurait un autre indice. Lorsque des vagues de matière noire floue se chevauchent au sein d’un halo, elles pourraient former des modèles d’interférence plus petits appelés granules – des régions d’apparence granuleuse où la densité de matière noire est plus élevée – qui transmettraient leur propre signature gravitationnelle mesurable.

Pour exclure certaines de ces théories, il faut trouver – ou visiblement ne pas trouver – des halos de matière noire de masse de plus en plus faible. La recherche a commencé par identifier les halos les plus petits connus pour emmailloter les galaxies naines, des amas de matière noire qui pèsent encore des centaines de millions de masses solaires, et elle se fraye maintenant un chemin vers l'inconnu. Le problème, cependant, est que ces hypothétiques petits halos sombres n’ont probablement pas la force gravitationnelle nécessaire pour attirer la matière ordinaire et enflammer les étoiles. Ils ne peuvent pas être vus directement – ​​ce ne sont guère plus que de lourdes ombres. "La chasse aux preuves est ouverte", a déclaré Matthew Walker, astrophysicien à l'Université Carnegie Mellon. "C'est juste difficile à trouver."

Leçons tirées des lentilles

Les recherches les plus avancées d’aujourd’hui sur les petits sous-halos sombres s’appuient sur un phénomène presque miraculeux : la lentille gravitationnelle. Prédites par Einstein, les lentilles gravitationnelles sont des régions d’espace-temps déformé entourant un objet massif. Le champ gravitationnel de cet objet – la lentille – déforme et focalise la lumière de fond de la même manière qu’une loupe peut agrandir l’image d’une fourmi ou concentrer suffisamment la lumière du soleil pour allumer un feu.

Chaque alignement de lentille implique une source de lumière provenant des rives lointaines de l’univers et la lentille elle-même. Souvent, ces lentilles sont des galaxies massives ou des amas de galaxies qui déforment l’espace-temps et se trouvent alignées, par hasard cosmique, entre cette source lointaine et la Terre. Les objectifs produisent toute une gamme d'effets optiques, depuis des arcs de lumière jusqu'à des copies multiples de la même source d'arrière-plan jusqu'à des images très agrandies d'objets qui autrement seraient beaucoup trop éloignés pour être vus.

Ce n’est qu’en pêchant à travers le cosmos lentille qu’en 2017 les astronomes ont photographié Icarus, une étoile qui brillait il y a environ 9 milliards d'années. Plus récemment, ils ont découvert Earendel, âgé de près de 13 milliards d'années, l'actuel détenteur du record de l'étoile la plus ancienne, qui jette autant de lumière à lui seul comme 1 million de soleils. Ils ont également repéré Godzilla, une étoile lointaine monstrueusement énergique. subir une explosion explosive, et Mothra, le compagnon monstre de Godzilla, qui semble être un type similaire d'objet variable. ("Et oui, nous nous amusons avec ça", a déclaré Diego à propos du processus de nomination de son équipe.)

Mais les lentilles gravitationnelles ne sont pas seulement des portails vers l’autre côté de l’univers. Les chasseurs de matière noire considèrent depuis longtemps les lentilles comme au moins aussi intéressantes que ce qu’elles grossissent. La manière précise dont la lentille déforme et déforme l'image d'arrière-plan correspond à la façon dont la masse est distribuée dans et autour de la galaxie ou de l'amas lentille. Si la matière noire existe sous forme de petits amas sans étoiles au sein du motif connu de halos de la taille d’une galaxie, eh bien, les astronomes devraient également être capables de voir la lumière se courber autour de ces amas.

Les plus petits halos sombres détectés grâce à cette méthode rivalisent déjà avec les plus petits halos mesurés autour des galaxies naines. En 2020, une équipe comprenant Nierenberg a utilisé le télescope spatial Hubble et l'observatoire Keck à Hawaï pour examiner des images agrandies de quasars – des balises de lumière flamboyantes émises par la matière tombant dans des trous noirs – et trouvé des preuves de halos sombres aussi petits que des centaines de millions de masses solaires. C'est la même taille approximative du halo associée aux plus petites galaxies, un niveau d'accord statistique que Nadler, dans selon une étude publié l'année suivante, utilisé pour exclure les modèles de matière noire chaude constitués de particules plus légères qu'environ 1/50 d'électron, dans lesquels de tels amas minuscules ne pourraient jamais se former.

Cette année, entre-temps, deux équipes ont utilisé des quasars à lentilles pour rechercher des grains de particules de matière noire floues et poids plume – des grains qui se formeraient selon un processus similaire à celui qui fait apparaître des ondulations à la surface d'une piscine, selon le premier auteur. d'une de ces études, Devon Powell de l'Institut Max Planck d'Astrophysique. « Vous obtenez une répartition très chaotique et inégale de la question », a-t-il déclaré. "C'est juste une interférence d'ondes."

L'analyse de son équipe, publiée en juin dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, n'a trouvé aucune preuve de effets ondulatoires de matière noire dans des images haute résolution d'arcs de lumière provenant d'une lentille gravitationnelle, ce qui suggère que la particule sombre doit être plus lourde que les plus petits candidats flous. Mais une étude réalisée en avril Nature Astronomie, dirigé par Alfred Amruth de l'Université de Hong Kong, ont examiné quatre copies lentilles d'un quasar de fond et sont arrivés à la conclusion opposée : une lentille faite de matière noire floue, ont-ils soutenu, mieux expliqué petites fluctuations dans leurs données. (Des résultats contradictoires ne seraient pas entièrement surprenants étant donné que les signaux attendus sont subtils et que l'approche expérimentale est nouvelle, disent des experts extérieurs aux deux équipes. Quanta.)

Nierenberg et ses collègues, quant à eux, ont passé l'année dernière à utiliser JWST pour observer des lentilles gravitationnelles qui grossissent les quasars, dans le but provisoire de publier leur première analyse en septembre. En théorie, ils calculent que la capacité du JWST à découvrir des structures à petite échelle dans les lentilles devrait révéler si les halos sombres existent sous forme d'amas entièrement invisibles et sans étoiles, d'une taille allant de plusieurs dizaines de millions de masses solaires. Si tel est le cas, ces halos imposeraient la contrainte la plus forte à ce jour sur le degré de « chaleur » de la matière noire.

Cette méthode encore plus récente consistant à observer des étoiles extrêmes et lointaines comme Mothra à travers des lentilles gravitationnelles pourrait bientôt passer de l'identification de curiosités ponctuelles à devenir une caractéristique régulière de l'astronomie à l'ère JWST. Si Diego et ses collègues ont raison et qu'ils peuvent voir Mothra parce qu'il est lentille par un amas de matière noire pesant moins de quelques millions de masses solaires, cette observation à elle seule exclurait une large bande de modèles de matière noire chaude. Mais il supporterait toujours la matière noire froide et floue, bien que dans ce dernier cas – où le grossissement supplémentaire de Mothra provient d'un granule dense de matière noire au lieu d'un amas lié gravitationnellement – ​​il forcerait toujours la matière noire floue dans une plage étroite. des masses possibles.

Les astronomes découvrent beaucoup plus d'étoiles à lentilles avec Hubble et JWST, a déclaré Diego, en gardant un œil sur d'autres distorsions optiques anormales qui pourraient provenir de la lumière des étoiles se courbant autour de petits objets sombres. « Nous commençons tout juste à gratter la surface », a-t-il déclaré. "Je ne prends pas beaucoup de vacances ces jours-ci."

Des îles sombres dans un flot d'étoiles

D’autres recherches de petits halos de matière noire se concentrent sur des étoiles beaucoup plus proches – celles des banderoles proches de la Voie lactée et les étoiles binaires des galaxies naines proches. En 2018, Ana Bonacá, aujourd'hui astrophysicien aux observatoires Carnegie, s'est précipité pour télécharger les données du vaisseau spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne, qui mesure les mouvements de près de 2 milliards d'étoiles dans la Voie lactée. Bonaca a trié ces observations initiales et a isolé les informations des étoiles appartenant à une structure appelée GD-1. Ce qu’elle a vu était « immédiatement super excitant », a-t-elle déclaré. "Nous nous sommes empressés d'écrire un article la semaine prochaine."

GD-1 est un flux stellaire, une chaîne lâche d'étoiles de la Voie lactée qui, si vous pouviez la repérer à l'œil nu, s'étendrait sur plus de la moitié du ciel nocturne. Ces étoiles ont été éjectées d’un amas d’étoiles globulaires il y a longtemps ; ils gravitent désormais autour de la Voie lactée de chaque côté de cet amas, se balançant derrière et devant sa trajectoire comme des bouées marquant un canal interstellaire.

Dans leur analyse de GD-1, l'équipe de Bonaca a trouvé l'empreinte théorique d'un morceau de matière noire interlope. Plus précisément, une partie de GD-1 semblait divisée en deux, comme si un objet massif et invisible s'était glissé dans la piste, entraînant des étoiles dans son sillage. Cet objet qui passait, ont-ils calculé, pourrait être un sous-halo de matière noire pesant quelques millions de masses solaires, ce qui en ferait également un prétendant au plus petit amas putatif de matière noire et une menace potentielle pour les variantes les plus grillées de la matière noire chaude. .

Mais comment convertir un seul résultat en quelque chose de plus statistique ? À l'heure actuelle, a déclaré Bonaca, les astronomes ont recensé environ 100 flux stellaires. Bien que seule une poignée d’objets aient été étudiés en détail, chacun d’eux a ses propres plis et courbures inhabituels qui peuvent provenir de rencontres gravitationnelles avec des objets sombres tout aussi petits. Mais les observations ne sont pas encore concluantes.

"Je pense que la meilleure façon d'avancer est d'analyser les flux simultanément", a-t-elle déclaré, "pour comprendre dans quelle mesure [ces caractéristiques inhabituelles] proviennent de la matière noire."

À des échelles encore plus petites, Walker, chez Carnegie Mellon, a passé l'année dernière à analyser les observations JWST de galaxies naines à la recherche des systèmes stellaires les plus fragiles qu'il puisse trouver : des étoiles binaires très éloignées les unes des autres et maintenues ensemble dans une étreinte gravitationnelle lâche. Si de petits halos sombres – le genre d’objets qui, selon les modèles de matière noire froide, devraient être abondants – passent continuellement et exercent une attraction gravitationnelle sur leur environnement, ces binaires très larges ne devraient pas exister. Mais si de larges binaires apparaissent, cela suggère que de petits halos sombres ne sont pas présents – ce qui porte un coup dur aux nombreux modèles de matière noire froide qui les prédisent.

"C'est ce que j'appelle une anti-recherche de halos de matière noire sous-galactiques", a déclaré Walker.

Se déplacer dans les murs

La recherche des ombres cosmiques n’est encore qu’une petite partie d’un effort plus vaste visant à cerner quelque chose qui jusqu’à présent se tortillait hors de portée. Des expériences terrestres conçues pour piéger des particules qui correspondraient aux paradigmes de matière noire floue, chaude et froide ; les équipes sont toujours à la recherche d'autres caractéristiques de la physique de la matière noire, depuis les produits secondaires produits si et quand les particules interagissent avec la matière normale, jusqu'à la question subtile de savoir comment la densité de la matière noire augmente et diminue au sein des halos sombres, qui dépend de la manière dont les particules sombres interagissent. avec l'un l'autre.

Tracy Slatyer, physicien théoricien au Massachusetts Institute of Technology, visualise le mystère de la matière noire comme une vaste boîte pleine d'une myriade de possibilités mais ne contenant qu'une seule bonne réponse. Dans cette analogie, sa stratégie consiste à pénétrer profondément dans cette boîte avec des idées spécifiques et réfutables sur les propriétés des particules de matière noire. Les côtés de la boîte, cependant, représentent les seuls véritables faits limitatifs que les astronomes peuvent fournir, tels que les limites supérieures de la chaleur de la matière noire et les limites inférieures de son flou – ou de sa légèreté –.

Si les astronomes pouvaient détecter en toute confiance des objets cosmiques entièrement sombres dans la gamme du million de masse solaire, ce serait un « tour de force d’observation », a déclaré Slatyer. "Ce serait incroyable." Les parois de sa boîte se déplaceraient vers l'intérieur, réduisant ainsi l'espace disponible pour les possibilités.

La technologie à venir pourrait bientôt transformer ces diverses recherches, des premières tentatives dans l’obscurité en des incursions plus profondes dans les structures obscures qui sous-tendent l’univers. JWST approfondira son étude des lentilles gravitationnelles dans les années à venir ; Le groupe de Nierenberg, par exemple, a commencé avec huit systèmes de ce type mais prévoit d'en analyser à terme 31. Lors de son lancement en 2027, le télescope spatial romain Nancy Grace, un observatoire de niveau Hubble avec un champ de vision beaucoup plus large, devrait permettre de parcourir beaucoup plus facilement les galaxies naines comme le fait Walker. L'observatoire Vera C. Rubin, du nom de l'astronome pionnier dont les observations ont forcé les chercheurs à prendre au sérieux le mystère de la matière noire, révélera plus de détails sur les flux stellaires une fois qu'il commencera à observer depuis le Chili en 2024. Ensemble, les deux observatoires devrait faire apparaître des milliers de nouvelles lentilles gravitationnelles qui peuvent être explorées à la recherche de sous-structures sombres.

Jusqu’à présent, aucune des observations n’a renversé les modèles populaires de matière noire froide, qui prédisent que l’univers est jonché d’amas de matière de plus en plus petits. Alors que les astronomes poursuivent le travail exténuant de recherche de ces amas, de nombreux théoriciens et expérimentateurs espèrent qu'une expérience de physique des particules sur Terre permettra d'aller au cœur du mystère beaucoup plus rapidement. Mais découvrir ces poches isolées d’obscurité – et toute physique complexe qui les accompagne – revient à « obtenir un laboratoire plus propre », a déclaré Slatyer. "Nous vivons une période passionnante."