Hydrodynamical simulations of the merging cluster El Gordo in a two-state self-interacting dark matter scenario

Au plus profond de la vaste toile cosmique, là où les galaxies se regroupent en amas massifs, une substance cachée connue sous le nom de matière noire maintient l'ensemble de la structure. Pendant des décennies, la théorie dominante a été que cette matière invisible est « froide » et « sans collision », ce qui signifie que ses particules passent les unes à travers les autres comme des fantômes, n'interagissant que par la gravité. Cependant, cette vision standard peine à expliquer certains mystères à petite échelle de l'univers, amenant certains scientifiques à proposer que la matière noire pourrait en réalité entrer en collision avec elle-même, échangeant de l'énergie et de la quantité de mouvement comme des boules de billard. Cette idée, appelée matière noire auto-interagissante, offre une solution potentielle à ces énigmes à petite échelle, mais elle crée un nouveau problème : si la matière noire entre trop facilement en collision, elle devrait laisser derrière elle des écarts clairs et mesurables entre la matière noire et les galaxies visibles lors du choc des amas de galaxies. Un tel amas, un système colossal et lointain surnommé « El Gordo », a été un casse-tête particulier pour les astronomes car sa matière noire et ses galaxies semblent séparées d'une manière qui défie à la fois la théorie standard des fantômes et les versions les plus simples de la théorie des collisions.

Pour résoudre ce puzzle cosmique, un chercheur de l'École internationale d'études avancées en Italie a mené une vaste suite de simulations informatiques pour voir si une version plus complexe de la matière noire auto-interagissante pouvait expliquer le comportement étrange d'El Gordo. L'étude se concentre sur un scénario spécifique où les particules de matière noire existent dans deux états différents, de la même manière qu'un atome peut être dans un état fondamental ou un état excité. Dans ce modèle, lorsque deux particules de matière noire entrent en collision, elles peuvent parfois absorber de l'énergie pour passer à cet état supérieur, excité. Ce processus, connu sous le nom de diffusion ascendante endothermique (up-scattering), agit comme un frein sur la collision, modifiant la façon dont la matière noire se comporte lors du crash violent de deux amas de galaxies. Le chercheur a construit un jumeau numérique d'El Gordo, un système en fusion situé si loin que nous le voyons tel qu'il était il y a des milliards d'années, et a testé comment différents types d'interactions de matière noire se dérouleraient au fil du temps.

Les simulations ont révélé qu'un modèle simple où les particules de matière noire se contentent de rebondir l'une sur l'autre de manière élastique ne peut pas correspondre pleinement aux observations d'El Gordo. Bien qu'un tel modèle puisse expliquer pourquoi la matière noire et les galaxies sont séparées, il ne parvenait pas à reproduire la forme correcte de l'attraction gravitationnelle de la matière noire, appelée profil de lentille, qui est la façon dont les astronomes mesurent la masse de ces structures invisibles. La clé pour résoudre cela fut l'inclusion du canal de diffusion ascendante absorbant l'énergie. Les résultats ont montré que lorsque les particules de matière ne font que diffuser de l'énergie lors d'une collision, elles créent un profil de densité qui correspond beaucoup mieux aux mesures du monde réel. Plus précisément, les simulations ont trouvé que la meilleure correspondance se produit lorsque la matière noire possède un taux de collision élastique d'environ 4 à 6 centimètres carrés par gramme, combiné à un canal inélastique absorbant l'énergie qui opère à un taux d'environ 2 à 4 centimètres carrés par gramme, mais uniquement lorsque les particules se déplacent à des vitesses comprises entre 1 200 et 1 600 kilomètres par seconde.

Ces découvertes suggèrent que le crash unique et à haute vitesse d'El Gordo, où les deux amas s'éloignent à plus de 2 000 kilomètres par seconde, fournit les conditions parfaites pour que ce type spécifique d'interaction de la matière noire se produise. Les simulations ont reproduit avec succès la forme caractéristique en double queue de rayons X du groupe et les décalages spécifiques entre la matière noire, le gaz chaud et les galaxies. Cependant, l'auteur prend soin de noter que cette conclusion est très sensible aux mesures exactes de la masse du groupe et de la distance entre les deux parties en collision. Si les observations futures montrent que le groupe primaire est nettement plus léger que ce que l'on pense actuellement, ou que les deux parties sont plus éloignées, ce modèle spécifique de matière noire auto-interagissante pourrait ne plus correspondre aux données. L'étude soutient essentiellement que, si la théorie standard des « fantômes » échoue à expliquer la séparation, et que les théories de « rebond » simples échouent au test de lentille, une matière noire à deux états capable d'absorber de l'énergie lors de collisions à haute vitesse offre une explication convaincante, bien que complexe, du comportement de ce géant cosmique.

En fin de compte, ce travail souligne que la nature de la matière noire peut dépendre fortement de l'énergie de l'environnement qu'elle habite. Le chercheur suggère que les observations futures d'autres amas massifs en fusion à haute vélocité seront le facteur décisif pour confirmer si ce scénario à deux états est la véritable nature de la matière noire ou simplement un tour de passe-passe de simulation. L'étude ne prétend pas avoir résolu le mystère de la matière noire une fois pour toutes, mais elle fournit un cadre solide et testable qui comble le fossé entre les observations contradictoires, offrant une voie à suivre pour que les astronomes puissent distinguer les différentes théories de l'échafaudage invisible de l'univers.