L'analyse des courbes de rotation des galaxies spirales a mis en évidence empiriquement depuis la fin des années 1970 un écart entre la quantité de matière lumineuse et le budget de masse nécessaire pour expliquer les propriétés cinématiques globales de tels systèmes. La croyance commune fait remonter la masse manquante à un composant invisible appelé matière noire, constituée de particules massives froides (c'est-à-dire non relativistes) et à faible interaction. Bien qu'un tel paradigme de matière noire froide s'avère relativement efficace à l'échelle cosmologique, il a du mal à décrire complètement la phénoménologie observée à l'échelle galactique, en particulier chez les naines dominées par la matière noire.

Ainsi, il doit y avoir une communication de langage secret entre la matière noire et la matière standard dans l'Univers. Qu'est-ce que c'est? La gravité pourrait être la raison de cette discussion.

Une nouvelle étude SISSA publiée dans "The Astrophysical Journal" met en lumière ce problème de longue date. 

Les auteurs de la recherche, Ph.D. L'étudiant Giovanni Gandolfi et les superviseurs Andrea Lapi et Stefano Liberati proposent une propriété spéciale pour la matière noire appelée a "couplage non minimal avec la gravité."

Ce nouveau type d'interaction peut modifier la matière noire influence gravitationnelle sur la matière "baryonique" standard. Selon les auteurs, le "couplage non minimal" pourrait être la clé pour décrypter le dialogue énigmatique entre les deux composants, résolvant peut-être l'une des plus grandes questions ouvertes sur la nature de la matière noire.

L'hypothèse a été testée puis confirmée avec des données expérimentales provenant de milliers de galaxies spirales pour prouver l'hypothèse.

Interaction entre la matière noire et la matière standard

"La matière noire est partout" dit les auteurs de la recherche.

"Comme un échafaudage cosmique, il relie les Univers et maintient les galaxies ensemble. La matière noire est cependant aussi importante que mystérieuse. Il est possible que l'une des plus grandes énigmes de la matière noire soit son interaction avec la matière standard, ou "baryons" ». 

Nous savons que la gravité joue un rôle important dans ce dialogue, mais les scientifiques ne comprennent toujours pas entièrement le phénomène. 

"Pour cette raison," disent Gandolfi, Lapi et Liberati, « Nous nous sommes demandé : la gravité est-elle mauvaise ou manquons-nous simplement de quelque chose de crucial sur la nature de la matière noire ? Et si la matière noire et la matière "baryonique" standard ne communiquaient pas comme nous l'avons toujours imaginé ?. Avec nos recherches, nous avons essayé de répondre à ces questions intrigantes ».

Le "couplage non minimal", clé du décryptage du dialogue 

La nouvelle étude suggère l'existence d'une nouvelle caractéristique de la matière noire, appelée "couplage non minimal", qui "peut être décrit comme un nouveau type d'interaction entre la matière noire et la gravité", affirment les auteurs.

« Cela nous en dit long sur la façon dont les deux composants « communiquent ».

Si le couplage non minimal est présent, la matière standard « perçoit » l'espace-temps d'une manière différente de celle « vécue » par la matière noire. C'est un point très intéressant. Habituellement, en fait, la matière noire et la matière baryonique perçoivent l'espace-temps de la même manière. 

Pour cette raison, notre théorie, dont nous avons prouvé qu'elle était en accord remarquable avec les données expérimentales actuelles, pourrait représenter un enjeu crucial dans la compréhension de l'essence de la matière noire ».

Pour une compréhension globale de la matière noire

La nouvelle étude propose une solution à l'un des problèmes les plus discutés en astrophysique; les chercheurs disent : "Entre autres choses, les positions de ceux qui soutiennent que la matière noire n'existe pas, et donc la gravité doit être modifiée, reposent sur la difficulté de trouver une explication à ce problème, qui est l'une des dernières pièces manquantes pour une compréhension globale. de matière noire ». 

Mais il y a plus. "Cette caractéristique de la matière noire n'est pas un élément de la nouvelle physique fondamentale exotique", déclare l'auteur. "On peut expliquer l'existence de ce couplage non minimal avec la physique connue seule."

Caractéristiques de l'étude :

1. Les chercheurs ont découvert que le modèle de couplage non minimal peut s'adapter aux courbes de rotation empilées des galaxies spirales locales avec différentes vitesses moyennes au rayon optique, y compris les naines et les systèmes à faible luminosité de surface.
2. Les chercheurs ont montré qu'en même temps, leur modèle NMC, lors de l'extrapolation à des masses plus petites, la mise à l'échelle dépendante de la masse de l'échelle de longueur de couplage trouvée à partir de l'analyse des courbes de rotation, peut reproduire de manière adéquate la forme et se disperser jusqu'au nain gamme de galaxies sphéroïdales, une tâche qui constitue un sérieux défi pour les profils alternatifs de matière noire incluant même des effets baryoniques.

Vue futuriste

"L'avenir de la matière noire s'annonce plus prometteur" concluent les auteurs. « D'autres études seront menées pour explorer toutes les implications intéressantes de cette nouvelle fonctionnalité proposée de la matière noire. Nous ne serions pas surpris de découvrir que ce couplage non minimal pourrait résoudre d'autres questions sans réponse de l'Univers ».

Référence du journal

1. Giovanni Gandolfi, Andrea Lapi et Stefano Liberati. Preuve empirique de la matière noire à couplage non minimal dans la dynamique des galaxies spirales locales ? Le journal astrophysique 929 48, 2022. DOI : 10.3847/1538-4357/ac5970