Matière noire : des simulations fines et spectaculaires de galaxies répondent enfin au défi posé par le télescope James-Webb

Le grand mathématicien John von Neumann est considéré avec le Britannique Alan Turing comme l’un des principaux pionniers et créateur des ordinateurs. On dit souvent que von Neumann avait comme principale motivation de pouvoir faire de bonnes prédictions météorologiques. On peut donc spéculer sur les réactions qu’il aurait eues devant les simulations que les cosmologistes font depuis une quarantaine d’années en ce qui concerne la formation et l’évolution des galaxies et des grandes structures qui rassemblent les amas de galaxies.

Les cosmologistes, eux, ont initialement fait des simulations à ce sujet uniquement avec des paquets de matière noire, en négligeant ce qui pouvait se passer avec de la matière ordinaire pouvant former des étoiles massives explosant en supernovae ou s’accrétant sur des trous noirs supermassifs. Dans ces deux derniers cas, des sortes de vents cosmiques en résultant sont capables à eux seuls de modifier la répartition de la matière normale, produisant donc des changements dans les champs de gravitation, capables de modifier la répartition de la matière noire.

Lire l’article

Rappelons que la matière noire est censée être composée de particules encore jamais vues en laboratoire sur Terre et dont les répartitions de masses dominent celles de la matière ordinaire, dite baryonique car formée des protons et neutrons des noyaux. C’est pour cette raison d’abord que les premières simulations de formation de galaxies n’utilisaient que de la matière noire – son champ de gravité était censé dominer l’évolution du cosmos. En second lieu, les ordinateurs n’étaient pas encore assez puissants pour tenir compte aussi justement de tous les phénomènes possibles à l’échelle des galaxies.

Le professeur Carlos Frenk est le directeur fondateur de l’Institute for Computational Cosmology, le groupe de recherche de l’Université de Durham. Son discours explore comment l’univers est né et les progrès réalisés au cours des 30 dernières années pour mieux comprendre cette branche de la science. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ArtichokeTrust

Des simulations plus fines à l’échelle des galaxies

Pendant longtemps, ces simulations rendaient bien compte de la majorité des observations, mais quelques anomalies pouvaient faire douter de la justesse du modèle cosmologique standard reposant sur l’existence de la matière noire dite froide (car ses particules sont censées être peu rapides et donc former un gaz froid).

Certains se demandaient si cela ne signifiait pas qu’il fallait abandonner le modèle de la matière froide pour le remplacer par des modifications des lois de la mécanique céleste newtonienne dans le cadre de la théorie Mond.

Lire l’article

Toutefois, depuis environ une décennie, avec les progrès des ordinateurs, il est devenu possible de faire des simulations de plus en plus réalistes et, tout récemment, on se demandait si elles pouvaient vraiment expliquer les grandes galaxies observées très tôt dans l’histoire du cosmos observable par le télescope spatial James-Webb. Il est plutôt difficile d’expliquer leur existence uniquement avec des simulations basées sur la matière noire.

Bien des cosmologistes et des astrophysiciens des particules intéressés par la matière noire doivent donc étudier avec attention aujourd’hui des articles publiés dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et dont une version libre existe aussi sur arXiv.

Un communiqué de la Royal Astronomical Society (RAS) explique de quoi il retourne. On apprend ainsi que des simulations réalisées sur le supercalculateur COSMA8 de l’Institut de cosmologie computationnelle de l’Université de Durham au Royaume-Uni « démontrent que le modèle cosmologique standard, intégrant les principaux phénomènes physiques, explique avec succès la croissance observée des galaxies, du premier milliard d’années après le Big Bang jusqu’à nos jours ».

Les simulations ont été conduites pendant une décennie dans le cadre du projet Colibre par une équipe internationale répartie entre l’Europe, l’Australie et les États-Unis.

Le célèbre cosmologiste Carlos Frenk, membre clé de l’équipe Colibre, ne cache pas son enthousiasme dans le communiqué de la RAS : « C’est exaltant de voir des « galaxies » générées par notre ordinateur, indiscernables des galaxies réelles et partageant nombre de propriétés mesurées par les astronomes, telles que leur nombre, leur luminosité, leurs couleurs et leurs dimensions. »

Pour explorer les univers virtuels générés par les simulations, une tache qui pourrait prendre des années, les chercheurs ont produit des « vidéos sonifiées » comme celle ci-dessous, où le son encode des informations physiques supplémentaires.

Évolution d’une galaxie dans la simulation L012m5, du décalage vers le rouge z = 5,5 à z = 0. Cette galaxie possède une masse stellaire actuelle de 6,3 × 10¹⁰ M☉, un taux de formation stellaire de 1,6 M☉/an et un trou noir de masse 1,6 × 10⁸ M☉. L’échelle, en haut à gauche, indique une longueur de 10 kiloparsecs physiques (pkpc), soit environ 32 600 années-lumière. © Colibre Simulations

Des simulations conformes aux observations du JWST

Parmi les processus physiques mieux pris en compte par les simulations du projet Colibre, il y a la présence de la poussière qui aide à la formation de nuage d’hydrogène moléculaire et donc à la formation des étoiles. Il y a aussi le fait que l’on peut enfin simuler des masses de gaz à des températures crédibles, c’est-à-dire selon les observations froides et dans les galaxies. Les calculs précédents ne pouvaient attribuer que des températures supérieures à la surface du Soleil – c’est-à-dire au-dessus de 6 000 kelvins – à ces masses pourtant essentielles pour comprendre la naissance des étoiles, y compris celles qui donneront des supernovae SN II.

Lire l’article

C’est ce qui permet finalement à Evgenii Chaikin, de l’Université de Leiden, auteur principal de plusieurs articles accompagnant Colibre et co-auteur de l’étude principale d’affirmer : « Certains résultats préliminaires du JWST semblaient remettre en question le modèle cosmologique standard. Colibre montre qu’une fois les processus physiques clés représentés de manière plus réaliste, le modèle est cohérent avec nos observations. »

Enfin presque, car le communiqué de la Royal Astronomical Society se termine en disant que les fameux et énigmatiques « Petits Points Rouges » découverts par le JWST, représentant peut-être les germes de trous noirs supermassifs, ne sont pas prédits par Colibre, qui suppose l’existence de tels germes. Mais peut-être que cela changera avec des modélisations et des simulations encore plus fines et puissantes…

Le panneau, à gauche, illustre la toile cosmique, où la couleur représente la densité projetée de gaz et d’étoiles. Les deux panneaux, à droite, présentent un zoom sur deux des nombreuses galaxies formées par les simulations. Ces images montrent la lumière stellaire obscurcie par la poussière pour une galaxie spirale vue de face (en haut à droite) et pour une autre galaxie spirale vue par la tranche (en bas à droite). © Schaye et al. (CC BY 4.0)