23/08/2012

Beaucoup Plus de Matière Sombre que Prévu Autour du Soleil

Des astronomes suisses de l'Université de Zurich et leurs collègues anglais et chinois viennent de découvrir de grandes quantités de masse invisible  dans les environs du Soleil. Leurs résultats sont cohérents avec la théorie prédisant que la Voie Lactée est entourée par un immense «halo» de matière sombre, mais cette étude est une première du genre. Elle a consisté à utiliser une méthode de mesure de masse rigoureusement testée sur des données simulées de notre galaxie avant d'être appliquée sur des données réelles. 

L'hypothèse d'une masse manquante a été proposée par l'astronome suisse Fritz Zwicky en 1933. Il avait constaté que les amas de galaxies étaient remplis d'une masse invisible, qui était la seule à expliquer leur dynamique. Environ au même moment, Jan Oort aux Pays-Bas découvrait que la densité de matière au voisinage du Soleil était près de deux fois ce qui pouvait être expliqué  par la présence d'étoiles et de gaz seuls. Quelques décennies plus tard, les astronomes ont développé peu à peu une théorie de la matière sombre qui explique les propriétés des amas et des galaxies dans l'Univers, mais la quantité de matière sombre dans le voisinage solaire est restée un peu mystérieuse. 

Simulation des masses dans la voie lactée (credit A. Hobbs)
Depuis la mesure de Oort, des études avaient montré 3 à 6 fois plus de matière sombre que prévu. Puis l'année dernière est arrivée une nouvelle étude revendiquant beaucoup moins de matière sombre que prévu... La communauté est restée quelque peu perplexe sur cette étude, mettant en doute à la fois la méthode utilisée et la fiabilité des mesures. (voir ici et ).
Dans cette dernière étude suisse publiée dans le prestigieux Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, les auteurs sont beaucoup plus confiants dans leur mesure et les incertitudes associées. Cette confiance provient du fait qu'ils ont utilisé une simulation de notre Galaxie du dernier cri afin de tester leur technique de mesure de masse avant de l'appliquer à des données réelles.


Cette méthode leur a également apporté un certain nombre de surprises. Ils ont pu notamment constater que les techniques standard utilisées au cours des 20 dernières années étaient biaisées, rien de moins, avec toujours une tendance à sous-estimer la quantité de matière sombre.

Ils ont ensuite mis au point une nouvelle technique statistique impartiale qui permet de retrouver la bonne réponse à partir de distributions de masse simulées.
En appliquant leur technique pour les positions et les vitesses des milliers d'étoiles naines oranges de type K au voisinage du Soleil, ils obtiennent alors une nouvelle mesure de la densité de matière visible et de matière sombre locales.

credit : Silvia Garbari

L'auteur principal, Silvia Garbari affirme qu'il y a une chance sur 10 pour que l'effet observé ne soit qu'un hasard statistique. Mais à 90% de confiance, on trouve plus de matière sombre que prévu... Et pas qu'un peu ! La valeur antérieure (ou encore actuelle si vous voulez) est de 0.008 masses solaires par parsec cube, soit 0.30 GeV/cm3, et la nouvelle valeur de densité de matière sombre vaut 0.022 masses solaires par parsec cube, soit 0.85 GeV/cm3. Presque trois fois plus!

Si les données futures confirment cette valeur élevée, les conséquences peuvent être très intéressantes. Cela pourrait être la première preuve d'une répartition différente de la matière sombre dans la voie lactée : l'existence d'un "disque" de matière sombre au centre du halo, comme il a récemment été prédit par la théorie et des simulations numériques (là encore!) de la formation des galaxies, ou bien le fait que le halo de matière sombre de notre galaxie soit un peu écrasé (ce qu'on appelle une forme oblate, augmentant la densité de matière sombre locale.

Une mesure précise de cette densité de matière sombre locale est vitale pour les expériences de recherche directe de WIMPs comme XENON100 ou EDELWEISS, qui ont besoin de connaitre quelques propriétés des particules qu'elles cherchent à détecter - comme leur densité locale - , histoire de savoir à quoi s'attendre.


Source :
A new determination of the local dark matter density from the kinematics of K dwarfs
S. Garbari et al.
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Volume 425, Issue 2, pages 1445–1458, 11 September 2012