Un anneau d’Einstein composé de matière noire et d’éléments stellaires
Image colorisée de la galaxie JWST-ER1. La matière noire reste évidemment invisible ! (Source : Van Dokkum et al., 2023)
Cette étude de la matière noire fait suite à la découverte de la galaxie JWST-ER1 par le télescope spatial James Webb en septembre dernier. Il s’agit d’une ancienne galaxie qui s’est formée environ 3,4 milliards d’années après le Big Bang. À cette époque, notre univers n’avait encore qu’un quart de son âge actuel.
Selon une nouvelle étude dont les résultats ont été publiés dans Les lettres du journal astrophysiqueLes astronomes ont découvert que cette galaxie, située à environ 17 milliards d’années-lumière de la Terre, est entourée d’un anneau d’Einstein.
Cette structure, prédite par la théorie de la relativité générale d’Einstein, est une sorte de cercle continu de lumière qui entoure la galaxie.
La lumière de cet anneau d’Einstein ne vient pas de JWST-ER1, mais d’une galaxie plus lointaine et invisible. À l’approche de la galaxie JWST-ER1, les rayons lumineux sont courbés par la masse de cette dernière qui agit comme une lentille gravitationnelle.
Il y a de la matière que nous connaissons bien, composée de protons, de neutrons et d’électrons. Appelée aussi matière baryonique, elle constitue l’ensemble de ce qui nous entoure et qui peut exister sous forme de gaz, de liquides, de solides et dans certains cas de plasma. Cette matière ne représente que 5 % de l’univers.
A côté de cette matière baryonique, il existe la matière noire. Il a une masse et remplit l’univers entier. Il ne réfléchit pas la lumière, ne l’absorbe pas et n’en émet pas ou très peu. Elle représente environ 80 % de la matière de l’univers.
La découverte d’un halo de matière noire
Les astronomes savent que cet anneau d’Einstein est constitué de matière baryonique et de matière noire. Grâce à l’effet de lentille gravitationnelle, les chercheurs parviennent à calculer la masse totale contenue dans cet anneau d’Einstein.
Dans un premier temps, et grâce à l’effet de lentille gravitationnelle, les astronomes ont déterminé que la masse de la galaxie JWST-ER1 approchait environ 650 milliards de fois celle de notre soleil. Compte tenu de sa taille, cette galaxie est relativement dense.
En soustrayant la masse stellaire visible de la masse totale déduite ci-dessus, les chercheurs obtiennent la part de matière noire qui existe dans cette galaxie. En réalisant cette opération mathématique simple, les astronomes se sont heurtés à un problème : la valeur de la masse de matière semble bien supérieure à celle attendue !
Au début, cette découverte a laissé perplexes les scientifiques de l’Université de Californie.
En effet, pour expliquer les résultats de cet effet de lentille gravitationnelle, il semble qu’une masse supplémentaire soit nécessaire.
Dans leur article, les astronomes avancent l’explication suivante : la forte densité de la galaxie JWST-ER1 pourrait s’expliquer par un nombre d’étoiles plus important que ce qu’ils avaient estimé jusqu’à présent.
Les astronomes pensent que la matière baryonique, qui constitue entre autres les gaz et les étoiles, est soumise à un mécanisme de contraction qui conduit à son effondrement et à sa condensation. Il pourrait donc y avoir plus de matière noire dans un même volume, ce qui signifie une densité plus élevée.
Les particules de matière noire interagissent les unes avec les autres
Au centre de la galaxie JWST-ER1, la densité de matière noire est la plus élevée. Elle sert en effet de « colle cosmique ». Sans cela, la galaxie, avec sa vitesse de rotation élevée, se désintégrerait complètement.
Grâce à des modèles, les astronomes ont également émis l’hypothèse qu’il pourrait exister un type de matière noire dans laquelle les particules qui la composent pourraient interagir. Selon cette nouvelle étude, cette hypothèse semble être en parfait accord avec les mesures et données de JWST-ER1.
Actuellement, les scientifiques ne savent pas encore ce qu’est la matière noire. Selon certains spécialistes, il serait constitué de particules ayant une masse. Il serait donc sensible à la gravitation et il n’interagirait avec la matière baryonique que via la force nucléaire faible.
Selon ce modèle, chacune de ces particules appelées WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) pourrait avoir une masse allant de 1 à 100 000 fois la masse d’un proton.
La découverte de JWST-ER1 et de son anneau d’Einstein par le télescope James Webb a ouvert de nouvelles voies pour l’étude de la matière noire, la composante mystérieuse qui occupe la majeure partie de l’univers.
Source :
Demao Kong, Daneng Yang et Hai-Bo Yu, « Interprétations de la matière noire froide et de la matière noire à interaction automatique de l’objet à lentille gravitationnelle forte JWST-ER1 », Les lettres du journal astrophysique, 11 avril 2024, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad394b
