31 janvier 2024
(Actualités Nanowerk) Au cours de la dernière année et demie, le télescope spatial James Webb a fourni des images étonnantes de galaxies lointaines formées peu de temps après le Big Bang, donnant aux scientifiques leur premier aperçu de l'univers naissant. Aujourd’hui, un groupe d’astrophysiciens a augmenté la mise : trouvez les galaxies les plus petites et les plus brillantes à proximité du début des temps, sinon les scientifiques devront repenser totalement leurs théories sur la matière noire. L'équipe, dirigée par des astrophysiciens de l'UCLA, a effectué des simulations qui suivent la formation de petites galaxies après le Big Bang et ont inclus, pour la première fois, les interactions auparavant négligées entre le gaz et la matière noire. Ils ont découvert que les galaxies créées sont très petites, beaucoup plus brillantes et se forment plus rapidement que dans les simulations typiques qui ne prennent pas en compte ces interactions, révélant au contraire des galaxies beaucoup plus faibles.
On pense que les premières galaxies se sont formées lorsque l’attraction gravitationnelle de la matière noire, impossible à étudier directement, a lentement attiré suffisamment d’hydrogène et d’hélium pour enflammer les étoiles.
Mais de nouvelles recherches menées par des astrophysiciens de l'UCLA montrent qu'après le Big Bang, l'hydrogène et l'hélium gazeux ont rebondi à des vitesses supersoniques sur des amas denses et lents de matière noire froide. Lorsque le gaz est retombé des millénaires plus tard, les étoiles se sont formées d’un seul coup, créant de petites galaxies exceptionnellement brillantes.
Si les modèles de matière noire froide sont corrects, le télescope spatial James Webb devrait être capable de trouver des parcelles de galaxies brillantes dans l'univers primitif, offrant ainsi potentiellement le premier test efficace des théories sur la matière noire. Si ce n’est pas le cas, les scientifiques devront retourner à la planche à dessin avec la matière noire.
Un composite du Quintette de Stephan, un regroupement visuel de cinq galaxies, construit à partir de près de 1,000 XNUMX fichiers d'images distincts provenant du télescope spatial James Webb. Les astrophysiciens de l'UCLA pensent que si les théories sur la matière noire froide sont correctes, le télescope Webb devrait trouver de minuscules galaxies brillantes du premier univers. (Image : NASA) Les petites galaxies, également appelées galaxies naines, sont présentes dans tout l'univers et sont souvent considérées comme représentant le type de galaxie le plus ancien. Les petites galaxies sont donc particulièrement intéressantes pour les scientifiques qui étudient les origines de l'univers. Mais les petites galaxies qu’ils trouvent ne correspondent pas toujours à ce qu’ils pensent devoir trouver. Les planètes les plus proches de la Voie lactée tournent plus rapidement ou ne sont pas aussi denses que dans les simulations, ce qui indique que les modèles pourraient avoir omis quelque chose, comme ces interactions gaz-matière noire. La nouvelle recherche, publiée dans Les lettres du journal astrophysique ("Le projet Supersonic : éclairer l'extrémité faible de la fonction de luminosité UV du JWST"), améliore les simulations en ajoutant des interactions de matière noire avec le gaz et découvre que ces galaxies faibles pourraient avoir été beaucoup plus brillantes que prévu au début de l'histoire de l'univers, alors qu'elles commençaient tout juste à se former. Les auteurs suggèrent que les scientifiques devraient essayer de trouver de petites galaxies beaucoup plus brillantes que prévu en utilisant des télescopes comme le télescope Webb. S’ils n’en trouvent que de faibles, alors certaines de leurs idées sur la matière noire pourraient être fausses.
La matière noire est un type de matière hypothétique qui n'interagit pas avec l'électromagnétisme ou la lumière. Ainsi, il est impossible d’observer par l’optique, l’électricité ou le magnétisme. Mais la matière noire interagit effectivement avec la gravité, et sa présence a été déduite des effets gravitationnels qu’elle exerce sur la matière ordinaire – l’élément qui constitue tout l’univers observable. Même si l’on pense que 84 % de la matière de l’univers est constituée de matière noire, celle-ci n’a jamais été détectée directement.
Toutes les galaxies sont entourées d’un vaste halo de matière noire et les scientifiques pensent que la matière noire a été essentielle à leur formation. Le « modèle cosmologique standard » utilisé par les astrophysiciens pour comprendre la formation des galaxies décrit comment des amas de matière noire dans le tout premier univers ont attiré la matière ordinaire par la gravité, provoquant la formation d'étoiles et créant les galaxies que nous voyons aujourd'hui. Étant donné que l’on pense que la plupart des particules de matière noire – appelées matière noire froide – se déplacent beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière, ce processus d’accumulation se serait produit progressivement.
Mais il y a plus de 13 milliards d’années, avant la formation des premières galaxies, la matière ordinaire, constituée d’hydrogène et d’hélium gazeux issus du Big Bang, et la matière noire se déplaçaient les unes par rapport aux autres. Le gaz s'écoulait à des vitesses supersoniques à travers des fourrés denses de matière noire se déplaçant plus lentement qui auraient dû l'attirer pour former des galaxies.
"En effet, dans les modèles qui ne prennent pas en compte le streaming, c'est exactement ce qui se produit", a déclaré Claire Williams, doctorante à l'UCLA et première auteure de l'article. "Le gaz est attiré par l'attraction gravitationnelle de la matière noire, forme des amas et des nœuds si denses que la fusion de l'hydrogène peut se produire, et forme ainsi des étoiles comme notre soleil." Mais Williams et les co-auteurs de l'équipe du Supersonic Project, un groupe d'astrophysiciens des États-Unis, d'Italie et du Japon dirigé par le professeur de physique et d'astronomie de l'UCLA, Smadar Naoz, ont découvert s'ils ajoutaient l'effet de diffusion de différentes vitesses entre la matière noire et la matière ordinaire. Selon les simulations, le gaz a atterri loin de la matière noire et n'a pas pu former d'étoiles immédiatement. Lorsque le gaz accumulé est retombé dans la galaxie des millions d’années plus tard, une explosion massive de formation d’étoiles s’est produite d’un seul coup. Parce que ces galaxies avaient pendant un certain temps beaucoup plus d’étoiles jeunes, chaudes et lumineuses que les petites galaxies ordinaires, elles brillaient beaucoup plus fort.
"Alors que le flux a supprimé la formation d'étoiles dans les plus petites galaxies, il a également stimulé la formation d'étoiles dans les galaxies naines, les faisant éclipser les zones de l'univers sans flux", a déclaré Williams. « Nous prévoyons que le télescope Webb sera capable de trouver des régions de l’univers où les galaxies seront plus lumineuses, accentuées par cette vitesse. Le fait qu’elles soient si brillantes pourrait permettre au télescope de découvrir plus facilement ces petites galaxies, qui sont généralement extrêmement difficiles à détecter seulement 375 millions d’années après le Big Bang. Parce que la matière noire est impossible à étudier directement, la recherche de zones lumineuses de galaxies dans l’univers primitif pourrait offrir un test efficace pour les théories sur la matière noire, qui ont été infructueuses jusqu’à présent.
"La découverte de parcelles de petites galaxies brillantes dans l'univers primitif confirmerait que nous sommes sur la bonne voie avec le modèle de matière noire froide, car seule la vitesse entre deux types de matière peut produire le type de galaxie que nous recherchons. ", a déclaré Naoz, professeur d'astrophysique Howard et Astrid Preston.
Faits marquants
Un composite du Quintette de Stephan, un regroupement visuel de cinq galaxies, construit à partir de près de 1,000 XNUMX fichiers d'images distincts provenant du télescope spatial James Webb. Les astrophysiciens de l'UCLA pensent que si les théories sur la matière noire froide sont correctes, le télescope Webb devrait trouver de minuscules galaxies brillantes du premier univers. (Image : NASA) Les petites galaxies, également appelées galaxies naines, sont présentes dans tout l'univers et sont souvent considérées comme représentant le type de galaxie le plus ancien. Les petites galaxies sont donc particulièrement intéressantes pour les scientifiques qui étudient les origines de l'univers. Mais les petites galaxies qu’ils trouvent ne correspondent pas toujours à ce qu’ils pensent devoir trouver. Les planètes les plus proches de la Voie lactée tournent plus rapidement ou ne sont pas aussi denses que dans les simulations, ce qui indique que les modèles pourraient avoir omis quelque chose, comme ces interactions gaz-matière noire. La nouvelle recherche, publiée dans Les lettres du journal astrophysique ("Le projet Supersonic : éclairer l'extrémité faible de la fonction de luminosité UV du JWST"), améliore les simulations en ajoutant des interactions de matière noire avec le gaz et découvre que ces galaxies faibles pourraient avoir été beaucoup plus brillantes que prévu au début de l'histoire de l'univers, alors qu'elles commençaient tout juste à se former. Les auteurs suggèrent que les scientifiques devraient essayer de trouver de petites galaxies beaucoup plus brillantes que prévu en utilisant des télescopes comme le télescope Webb. S’ils n’en trouvent que de faibles, alors certaines de leurs idées sur la matière noire pourraient être fausses.
La matière noire est un type de matière hypothétique qui n'interagit pas avec l'électromagnétisme ou la lumière. Ainsi, il est impossible d’observer par l’optique, l’électricité ou le magnétisme. Mais la matière noire interagit effectivement avec la gravité, et sa présence a été déduite des effets gravitationnels qu’elle exerce sur la matière ordinaire – l’élément qui constitue tout l’univers observable. Même si l’on pense que 84 % de la matière de l’univers est constituée de matière noire, celle-ci n’a jamais été détectée directement.
Toutes les galaxies sont entourées d’un vaste halo de matière noire et les scientifiques pensent que la matière noire a été essentielle à leur formation. Le « modèle cosmologique standard » utilisé par les astrophysiciens pour comprendre la formation des galaxies décrit comment des amas de matière noire dans le tout premier univers ont attiré la matière ordinaire par la gravité, provoquant la formation d'étoiles et créant les galaxies que nous voyons aujourd'hui. Étant donné que l’on pense que la plupart des particules de matière noire – appelées matière noire froide – se déplacent beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière, ce processus d’accumulation se serait produit progressivement.
Mais il y a plus de 13 milliards d’années, avant la formation des premières galaxies, la matière ordinaire, constituée d’hydrogène et d’hélium gazeux issus du Big Bang, et la matière noire se déplaçaient les unes par rapport aux autres. Le gaz s'écoulait à des vitesses supersoniques à travers des fourrés denses de matière noire se déplaçant plus lentement qui auraient dû l'attirer pour former des galaxies.
"En effet, dans les modèles qui ne prennent pas en compte le streaming, c'est exactement ce qui se produit", a déclaré Claire Williams, doctorante à l'UCLA et première auteure de l'article. "Le gaz est attiré par l'attraction gravitationnelle de la matière noire, forme des amas et des nœuds si denses que la fusion de l'hydrogène peut se produire, et forme ainsi des étoiles comme notre soleil." Mais Williams et les co-auteurs de l'équipe du Supersonic Project, un groupe d'astrophysiciens des États-Unis, d'Italie et du Japon dirigé par le professeur de physique et d'astronomie de l'UCLA, Smadar Naoz, ont découvert s'ils ajoutaient l'effet de diffusion de différentes vitesses entre la matière noire et la matière ordinaire. Selon les simulations, le gaz a atterri loin de la matière noire et n'a pas pu former d'étoiles immédiatement. Lorsque le gaz accumulé est retombé dans la galaxie des millions d’années plus tard, une explosion massive de formation d’étoiles s’est produite d’un seul coup. Parce que ces galaxies avaient pendant un certain temps beaucoup plus d’étoiles jeunes, chaudes et lumineuses que les petites galaxies ordinaires, elles brillaient beaucoup plus fort.
"Alors que le flux a supprimé la formation d'étoiles dans les plus petites galaxies, il a également stimulé la formation d'étoiles dans les galaxies naines, les faisant éclipser les zones de l'univers sans flux", a déclaré Williams. « Nous prévoyons que le télescope Webb sera capable de trouver des régions de l’univers où les galaxies seront plus lumineuses, accentuées par cette vitesse. Le fait qu’elles soient si brillantes pourrait permettre au télescope de découvrir plus facilement ces petites galaxies, qui sont généralement extrêmement difficiles à détecter seulement 375 millions d’années après le Big Bang. Parce que la matière noire est impossible à étudier directement, la recherche de zones lumineuses de galaxies dans l’univers primitif pourrait offrir un test efficace pour les théories sur la matière noire, qui ont été infructueuses jusqu’à présent.
"La découverte de parcelles de petites galaxies brillantes dans l'univers primitif confirmerait que nous sommes sur la bonne voie avec le modèle de matière noire froide, car seule la vitesse entre deux types de matière peut produire le type de galaxie que nous recherchons. ", a déclaré Naoz, professeur d'astrophysique Howard et Astrid Preston.
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