dimanche 8 avril 2018

5% de neutrinos massifs pour la matière noire ?


Le modèle cosmologique standard actuel (𝚲CDM, décrivant un Univers dominé par une constante cosmologique + de la matière noire "froide") prédit des structures galactiques à grande échelle un peu trop grumeleuses par rapport à ce qui est observé. Mais l'ajout d'une simple petite portion de matière noire "chaude" (c'est à dire des particules massives mais très légères, pouvant atteindre des vitesses relativistes) comme des neutrinos, jusqu'alors rejetées pour expliquer la matière noire, pourrait réconcilier les différentes observations.




Des études récentes ont montré l'existence d'une réelle tension entre la valeur de densité relique de la matière noire déduite des mesures du fond diffus cosmologique, une matière estimée exister sous la forme de particules massives, non relativistes, donc qualifiée de matière noire "froide" (Cold Dark Matter), et des mesures et observations des structures galactiques à grande échelle. On a besoin de matière noire froide pour former les galaxies et les amas de galaxies, qui s'agglomèrent autour des halos de matière noire. Mais lorsqu'on applique le modèle dans les simulations d'Univers, il se forme trop de galaxies par rapport à ce que l'on observe, et surtout trop de petites galaxies, des galaxies naines. Cette tension peut être potentiellement réduite de deux façons. La première fait appel à des extensions du modèle standard, comme introduire l'effet de neutrinos massifs (classés dans la classe de la matière noire chaude) ou encore introduire une interaction entre particules de matière noire froide. La seconde suggère de prendre en compte des erreurs systématiques liées aux modèles de structures à grande échelle comme les effets complexes de rétroaction qui existent dans la physique de la matière baryonique qui seraient mal pris en compte dans les simulations (comme les effets des supernovas sur leur environnement par exemple). 
Et voilà que Ian McCarthy (Université de Liverpool) et ses collègues ont repris ce problème en ajoutant dans leurs simulations pour la première fois ces deux types de pistes. Dans leur code de simulation BAHAMAS (BAryons and HAloes of MAssive Systems), les chercheurs britanniques simulent avec une grande précaution les effets de rétro-réaction sur la distribution de matière baryonique (ordinaire), et ils introduisent en plus l'effet induit par des neutrinos massifs. A partir de ces ingrédients, ils ont reproduits numériquement des cartes de différents effets comme l'effet thermique Sunyaev–Zel'dovich, l'effet de cisaillement gravitationnel (lentilles faibles) sur les galaxies, et l'effet de lentille sur le fond diffus cosmologique, qu'ils comparent ensuite avec les observations pour ajuster les paramètres introduits dans les simulations.

Les astrophysiciens ont étudié en détail l'impact des neutrinos, en faisant varier un seul paramètre : leur masse, et donc leur proportion dans la masse totale de matière noire. Quand ils en mettent beaucoup, la formation des grandes structures est fortement modifiée, comme attendu : il ne se forme que très peu de petites structures galactiques. Ils montrent que la proportion de neutrinos ne doit pas dépasser entre 3 et 5% du total de matière noire, car au-delà, la formation des galaxies est trop fortement supprimée.
McCarthy et son équipe arrivent ainsi à la conclusion qu'avec la masse du neutrino minimale qui est considérée dans le modèle standard de la physique des particules (0,06 eV), même avec toutes les incertitudes sur les effets de rétro-action dans les galaxies prises en compte, la tension persiste entre les résultats des simulations et les observations des distributions de galaxies aux grandes échelles. Mais il suffit d'augmenter un peu la masse des neutrinos, typiquement jusqu'à 0,4 eV pour que leur proportion monte à environ 5% de la masse totale de matière noire, et que les simulations deviennent très cohérentes avec les observations.
Or, depuis une vingtaine d'années, les astrophysiciens et les physiciens des particules étaient d'accord pour dire que les neutrinos ne pouvaient en aucun cas former la majeure partie de la matière noire. Leur si faible masse (au moins 0,06 eV pour la somme des trois familles e, µ et 𝜏) devait rendre leur contribution à la matière noire tellement faible qu'elle pouvait être négligée). La masse des neutrinos (somme des trois familles) serait donc plutôt de l'ordre de 0,4 eV d'après McCarthy et ses collaborateurs. 

Il se trouve que 20 ans après la démonstration de l'existence de leur masse par l'observation de leur oscillation d'un saveur à l'autre, la masse exacte des trois neutrinos n'est toujours pas connue et est recherchée activement sur tous les continents équipés pour ces recherches.  Les résultats de ces simulations cosmologiques pourraient permettre d'aider les physiciens des particules dans leur quête. En attendant, McCarthy et son équipe annoncent qu'ils vont améliorer leurs simulations pour tester la masse des neutrinos en évaluant d'autres paramètres cosmologiques comme les effets de lentille galaxie-galaxie, les distorsions de redshift ou encore le nombre d'amas de galaxies. Ils auront pour cela besoin de simuler des volumes d'Univers plus importants, et donc avec toujours plus de ressources de calcul.


Source

The BAHAMAS project: the CMB–large-scale structure tension and the roles of massive neutrinos and galaxy formation
Ian G McCarthy  Simeon Bird  Joop Schaye  Joachim Harnois-Deraps Andreea S Font  Ludovic van Waerbeke
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 476, Issue 3 (21 May 2018) https://doi.org/10.1093/mnras/sty377


Illustrations

1) Cartes de distributions d'amas de galaxies simulées : à gauche avec le modèle standard 𝚲CDM sans neutrinos; à droite avec neutrinos massifs (Ian McCarthy)

2) Schéma simpliste illustrant l'oscillation entre les trois saveurs de neutrinos.