Récemment, un objet d'un million de masses solaires a été découvert, associé à un arc gravitationnel étendu et extrêmement fin. Une équipe d'astrophysiciens vient d'effectuer des tests approfondis de diverses hypothèses concernant le profil de densité de masse de cet objet. Il serait composé d'un trou noir central de l'ordre de 1 million de masses solaires entouré d'une distribution de matière noire qui serait tronquée brusquement à un rayon de 139 pc, une structure qui ne ressemble à aucun objet astronomique connu et qui challenge les modèles "classiques" de matière noire froide. L'étude est parue dans Nature Astronomy.
La matière noire représente 85 % de la matière cosmique, mais sa nature demeure inconnue. Le modèle de la matière noire froide (CDM), selon lequel la matière noire est constituée de particules élémentaires massives, non relativistes et sans collisions (sans interactions entre elles), concorde avec de nombreuses observations astrophysiques. Mais il reste largement inexploré à l'échelle subgalactique. Ce modèle prédit notamment que la structure cosmique s'est formée par un processus hiérarchique ascendant. De ce fait, on s'attend à l'existence d'une population importante de halos de matière noire de faible masse (jusqu'à des échelles de masse planétaire). Ces petites structures existeraient à la fois sous forme de sous-halos au sein des halos de galaxies et d'amas massifs et dans le champ cosmique, avec des fonctions de masse et des profils de densité de masse bien caractérisés par de nombreuses simulations numériques. Mesurer le profil de densité et la concentration de masse des halos de matière noire est un test crucial du paradigme standard de la matière noire froide. Ces objets sont difficiles à caractériser, mais ils peuvent être étudiés par lentille gravitationnelle.
Les modifications du modèle CDM dans lesquelles les particules de matière noire possèdent une vitesse non négligeable aux premiers instants (c’est-à-dire ce qu'on appelle la matière noire chaude, WDM) permettent de prédire un nombre considérablement plus réduit de halos de faible masse, dont les profils de densité de masse sont nettement moins concentrés. Et la réduction du nombre de halos et de leur concentration est directement liée à la masse des particules WDM.
Une autre matière noire a aussi été théorisée depuis de nombreuses années : la matière noire auto-interagissante (SIDM), dans laquelle les particules (inconnues) interagiraient à la fois par la gravité et par d'autres forces, et pourrait ainsi redistribuer l'énergie et la quantité de mouvement au sein des halos, ce qui modifierait leur distribution et créerait des profils de densité plus diversifiés que dans le modèle CDM. Si la section efficace (probabilité) d'auto-interaction est suffisamment élevée, les halos peuvent évoluer vers un profil de densité très concentré en leur centre. Ces objets se forment par un processus de contraction incontrôlée, connu sous le nom d'effondrement du cœur. Ces halos de SIDM peuvent alors être considérablement plus concentrés en leur centre que les halos CDM de même masse. L'effondrement du cœur, dans ce cas, conduit rapidement à la formation d'un trou noir central qui, contrairement aux modèles CDM, ne dépend pas de processus baryoniques complexes et incertains. Par conséquent, la mesure directe du nombre et du profil de densité des halos de matière noire de faible masse (inférieure à 100 millions M⊙) peut permettre de distinguer avec précision les différents modèles de matière noire. Ces objets sont supposés être dominés par la matière noire, et la plupart devraient être totalement sombres. Ils ne peuvent donc être étudiés qu'à l'aide d'une sonde gravitationnelle, telle que le phénomène de lentille gravitationnelle forte.
Le système JVAS B1938+666 comprend une galaxie elliptique massive à un décalage vers le rouge z = 0,881 qui, par effet de lentille gravitationnelle, dévie une puissante radiosource à un décalage vers le rouge z = 2,059. Aux longueurs d'onde du proche infrarouge (2,1 μm, dans le référentiel de l'observateur), la galaxie hôte de la radiosource forme un anneau d'Einstein presque complet, au centre duquel un objet sombre de (190 ± 10) millions M⊙ a été détecté grâce à son effet de lentille gravitationnelle. La radiosource qui a été observée à 1,7 GHz (référentiel d'observation) grâce au réseau mondial d'interférométrie à très longue base (VLBI), révéle un arc gravitationnel spectaculaire et très fin qui s'étend sur environ 200 ms d'arc avec une largeur de quelques millisecondes d'arc au maximum. Cet arc est nettement séparé de l'anneau d'Einstein infrarouge sur la voûte céleste.
C'est il y a quelques mois, que Powell et al. ont effectué une analyse d'imagerie gravitationnelle des données à 1,7 GHz, et ont détecté (à 26 σ !) les effets gravitationnels d'un perturbateur dans la lentille gravitationnelle sans contrepartie lumineuse évidente dans les données d'optique adaptative du télescope Keck en proche infrarouge. La masse de l'objet sans contrepartie visible à été estimée à environ 1 million de masses solaires, en supposant qu'il se situe à l'intérieur de la galaxie lentille. Précisons que l’« imagerie gravitationnelle » désigne la technique de modélisation des lentilles gravitationnelles dans laquelle les halos de faible masse sont « imagés » sous forme de corrections pixellisées régularisées du potentiel de lentille. Ce concept a été introduit par Koopmans en 2005.
Simona Vegetti (Max Planck Institut für Astrophysik) et ses collaborateurs ont cherché à mieux caractériser cet objet sombre massif source perturbatrice de la lentille gravitationnelle, notamment pour savoir si il ne s'agirait pas d'un petit halo de matière noire.
Les chercheurs ont testé et comparé une grande variété de modèles paramétriques différents pour son profil de densité de masse et son décalage vers le rouge en utilisant l'évidence bayésienne logarithmique (c’est-à-dire le logarithme népérien de la probabilité d’un modèle étant donné les données). Les modèles ont été choisis pour couvrir les candidats les plus probables quant à la nature de cet objet de masse exceptionnellement faible pour une source de lentille gravitationnelle : un noyau compact ou un trou noir, décrit par une masse ponctuelle ; un amas globulaire, décrit par un profil de King ou de Plummer ; un halo ou sous-halo de matière noire, décrit par un profil de Navarro-Frenk-White (NFW) conventionnel, un profil isotherme singulier tronqué ou un profil en loi de puissance brisée ; et enfin une galaxie naine ultra-compacte, décrite par un profil de Sérsic.
Vegetti et ses collègues ont considéré des modèles composites qui superposent une composante centrale non résolue (un trou noir ou un noyau compact) à une composante étendue. Et ils ont aussi comparé des modèles avec le perturbateur à l’intérieur de la lentille (à un décalage vers le rouge de 0,881) avec des modèles où il se trouve à un décalage vers le rouge inconnu le long de la ligne de visée.
Au total, ils ont testé 23 modèles différents. Le modèle présentant le meilleur ajustement à ce qui est observé décrit un objet au décalage vers le rouge de la lentille principale, composé d'une masse ponctuelle et d'un disque uniforme vu de face. Les chercheurs notent que ce modèle présente une coupure nette de la densité surfacique à la limite de 139 pc de rayon, ce qui est difficile à concilier avec les profils des systèmes astrophysiques connus. Cela peut refléter une certaine inadéquation du modèle de lentille principal à ces petites échelles, ou bien un effet de ligne de visée non modélisé qui modifie la brillance de surface de l'arc radio à des échelles supérieures à celle du perturbateur de faible masse.
L'explication la plus plausible selon eux est celle d'un disque de densité surfacique uniforme, vu de face, de rayon extérieur R = 139 ± 4 pc, centré sur une composante non résolue contenant 19 % de la masse totale, soit 1,8 ± 0,1 × 10⁶ M⊙ . L' objet central pourrait être un trou noir ou un amas stellaire nucléaire. Dans les modèles CDM et WDM, la formation d'un trou noir au centre des galaxies résulte de processus baryoniques complexes et incertains.
Dans le régime de masse de la détection, on s'attend à ce que les halos soient dépourvus d'étoiles et bien décrits par un profil NFW unique. Un halo entièrement sombre, présentant des propriétés compatibles avec le modèle d'ajustement optimal, semble donc extrêmement improbable dans les modèles CDM et WDM. Cependant, pour des sections efficaces d'interaction judicieusement choisies, cela pourrait être envisageable dans les modèles de matière noire SIDM, où l'effondrement du cœur peut conduire à la formation de trous noirs au centre des halos de matière noire (comme l'avaient montré Turner et al. en 2021).
Vegetti et ses collaborateurs ont néanmoins cherché des solutions alternatives plus conventionnelles.
Tout d'abord, il pourrait s'agir d'une galaxie ultracompacte possédant un trou noir supermassif central ou un amas stellaire nucléaire. Ces galaxies constituent une classe distincte de petits systèmes stellaires denses, dont la masse se situe entre celle des amas globulaires et celle des galaxies naines classiques. Découvertes initialement dans des amas de galaxies proches tels que Fornax et Virgo, elles comptent parmi les galaxies les plus denses connues à ce jour. On pense que les galaxies ultracompactes se forment de diverses manières, notamment par arrachement de matière des galaxies naines dans des environnements denses. Le modèle optimal des chercheurs présente ici une taille et une masse globales compatibles avec celles des galaxies ultracompactes connues et des amas stellaires nucléaires locaux, mais leur distribution radiale de la lumière est nettement plus concentrée au centre que la densité surfacique de masse uniforme qui est privilégiée ici.
JVAS B1938+666 est le troisième objet massif à avoir été imagé individuellement par la gravité à ce jour. Or, ces trois détections présentent des propriétés qui, à différents niveaux statistiques, apparaissent inhabituelles comparées aux halos dominés par la matière noire dans les paradigmes CDM et WDM. L'analyse de Vegetti et ses collaborateurs, combinée à celles des détections précédentes, suggère que si des observations plus profondes confirment que ces objets sont dominés par la matière noire plutôt que par les étoiles, comme c'est le cas pour les galaxies ultracompactes et les amas stellaires nucléaires, alors la matière noire ne peut pas être sans collisions, elle doit interagir avec elle même, a minima. Par conséquent, ces résultats d'aujourd'hui pourraient avoir des implications importantes pour la nature de la matière noire et le modèle cosmologique standard.
Cependant, des travaux numériques et théoriques supplémentaires sont nécessaires pour obtenir des prédictions robustes à partir des modèles SIDM aux échelles spatiales et aux phases d'évolution pertinentes. Il faudra surtout vérifier que les trois détections peuvent être expliquées de manière cohérente par les mêmes paramètres de SIDM, en premier lieu la section efficace d'auto-interaction.
Source
A possible challenge for cold and warm dark matter
Simona Vegetti et al.
Nature Astronomy (5 january 2026)
Illustration
1. Image de la lentille gravitationnelle JVAS B1938+666. L'objet perturbateur objet de cette étude est désigné par la lettre 𝛎
2. Simona Vegetti
Aucun commentaire:
Enregistrer un commentaire
Merci !