Des astrophysiciens de l’Université de Hong Kong (HKU), en collaboration avec une équipe de recherche dirigée par l’Université normale de Pékin (BNU), ont mis au point une approche plus réaliste sur le plan physique pour tester la manière dont la matière noire ultralégère, ou « floue », pourrait influencer les images produites par lentille gravitationnelle. Cette étude est la première à formuler des prédictions de lentille gravitationnelle directement à partir de simulations d’ondes tridimensionnelles de matière noire floue. Les simulations reproduisent les positions observées des images d’un quasar lensé bien étudié avec une plus grande fidélité que les approches de modélisation couramment utilisées, ce qui met en évidence le potentiel des observations de lentille gravitationnelle à haute résolution pour sonder la nature de la matière noire.
Depuis près d’un siècle, les physiciens se débattent avec le mystère de la matière noire, une substance dont on pense qu’elle représente 85 % de toute la matière de l’Univers. Malgré son omniprésence, elle n’émet, n’absorbe ni ne réfléchit la lumière et n’est détectée qu’à travers ses effets gravitationnels. La matière noire est également absente du Modèle standard de la physique des particules, le cadre actuellement accepté pour décrire les particules fondamentales et trois des quatre forces fondamentales de l’Univers, un cadre qui sous-tend une grande partie de la technologie moderne.
Au cours de la dernière décennie, un nombre croissant de preuves astronomiques a fait naître la possibilité que la matière noire soit constituée de particules ultralégères. En raison de leurs masses extrêmement faibles, ces particules peuvent se comporter collectivement comme des ondes, produisant de complexes figures d’interférence semblables à celles qui se forment lorsque des vagues se rencontrent sur une plage. De telles figures pourraient laisser des traces dans les images multiples de galaxies, qui apparaissent lorsque la gravité d’un objet massif courbe et déforme la lumière d’une source plus lointaine, comme le prédit la théorie de la gravitation d’Einstein.
Dans leur quête pour percer le mystère de la matière noire, l’équipe de recherche, qui comprend le professeur Jeremy Lim et le Dr Amruth Alfred, du Département de physique de la HKU et du Hong Kong Institute of Astronomy and Astrophysics (HKIAA), a formulé des prédictions sur les propriétés des images de lentille gravitationnelle si les galaxies sont effectivement composées de matière noire ultralégère. C’est la première fois que de telles prédictions sont établies à l’aide de simulations informatiques directes permettant de capturer fidèlement les structures de masse ondulatoires produites par les interactions entre particules ultralégères. Les simulations ont reproduit les positions observées des images lensées avec une plus grande fidélité que les modèles de comparaison utilisés dans l’étude. Les résultats suggèrent que les systèmes de lentilles gravitationnelles pourraient offrir un moyen de tester les modèles de matière noire ultralégère. Les chercheurs étudient désormais d’autres effets, notamment les variations de luminosité des images de lentille gravitationnelle.
Le projet est né de visites de recherche effectuées par les chercheurs de la HKU à la BNU, où ils ont collaboré étroitement avec des membres du groupe du professeur Zong-Hong Zhu, le Dr Zhengxiang Li et le doctorant Jiajun Zhou, premier auteur de l’étude. « Nous étions très enthousiastes de voir ce que les simulations prédisaient, car nous ne savions pas à l’avance quelles signatures observables attendre. Jiajun a travaillé très dur pour obtenir rapidement ces résultats remarquables et nous pensons que cela a ouvert des voies entièrement nouvelles pour les futures recherches sur la nature de la matière noire à l’aide des lentilles gravitationnelles. »
Article : Gravitational Lensing Predictions from Wave Simulations of Fuzzy Dark Matter – Journal : The Astrophysical Journal Letters – Méthode : Observational study – DOI : Lien vers l’étude
