Le supercalculateur le plus puissant de la NASA a aidé les chercheurs à simuler le halo de matière noire qui entoure la Voie lactée. Cette nouvelle simulation informatique montre comment la matière noire se rassemble en «subhalos» dans le plus grand halo entourant la Voie lactée. C'est un peu un casse-tête, car la matière noire ne correspond pas à l'agglutination des galaxies satellites qui nous entourent.
Des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Cruz ont utilisé le supercalculateur le plus puissant de la NASA pour exécuter la plus grande simulation à ce jour de la formation et de l'évolution du halo de matière noire qui enveloppe la galaxie de la Voie lactée. Leurs résultats montrent des sous-structures dans le halo avec des détails sans précédent, fournissant un outil précieux pour comprendre l'histoire évolutive de notre galaxie.
Chaque galaxie est entourée d'un halo de mystérieuse matière noire qui ne peut être détectée qu'indirectement en observant ses effets gravitationnels. Le halo invisible est beaucoup plus grand et plus sphérique que la galaxie lumineuse en son centre. Des simulations informatiques récentes ont montré que le halo est étonnamment aggloméré, avec des concentrations relativement denses de matière noire dans des «subhalos» liés par gravitation à l'intérieur du halo. La nouvelle étude, qui a été acceptée pour publication dans le Astrophysical Journal, montre une sous-structure beaucoup plus étendue que toute étude précédente.
"Nous trouvons près de 10 000 subhalos, environ un ordre de grandeur de plus que dans toutes les simulations antérieures, et certains de nos subhalos présentent une" sous-structure ". Cela était attendu théoriquement, mais nous l'avons montré pour la première fois dans une simulation numérique", a déclaré Piero Madau, professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'UCSC et co-auteur de l'article.
Jürg Diemand, un stagiaire postdoctoral Hubble à l'UCSC et premier auteur du document, a déclaré que les nouveaux résultats exacerbent ce qui est connu comme le «problème de satellite manquant». Le problème est que la grosseur de la matière normale dans et autour de notre galaxie - sous la forme de galaxies satellites naines - ne correspond pas à la grosseur de la matière noire observée dans la simulation.
«Les astronomes continuent de découvrir de nouvelles galaxies naines, mais il n'en reste qu'une quinzaine, contre environ 120 sous-halos de matière noire de taille comparable dans notre simulation. Alors, lesquels abritent les galaxies naines, et pourquoi? » Dit Diemand.
Les modèles théoriques dans lesquels la formation des étoiles est limitée à certains types de halos de matière noire - suffisamment massifs ou en formation précoce - peuvent aider à résoudre l'écart, a déclaré Madau.
Bien que la nature de la matière noire reste un mystère, elle semble représenter environ 82% de la matière dans l'univers. En conséquence, l'évolution de la structure dans l'univers a été entraînée par les interactions gravitationnelles de la matière noire. La matière «normale» qui forme du gaz et des étoiles est tombée dans les «puits gravitationnels» créés par des amas de matière noire, donnant naissance à des galaxies au centre des halos de matière noire.
Initialement, la gravité a agi sur de légères fluctuations de densité présentes peu après le Big Bang pour rassembler les premiers amas de matière noire. Ceux-ci se sont transformés en groupes de plus en plus grands grâce à la fusion hiérarchique de progéniteurs plus petits. C'est le processus que les chercheurs de l'UCSC ont simulé sur le supercalculateur Columbia du NASA Ames Research Center, l'un des ordinateurs les plus rapides au monde. La simulation a pris quelques mois pour se terminer, fonctionnant sur 300 à 400 processeurs à la fois pour 320 000 «cpu-heures», a déclaré Diemand.
Le coauteur Michael Kuhlen, qui a commencé à travailler sur le projet en tant qu'étudiant diplômé à l'UCSC et est maintenant à l'Institute for Advanced Study de Princeton, a déclaré que les chercheurs ont fixé les conditions initiales en fonction des résultats les plus récents de la sonde d'anisotropie à micro-ondes de Wilkinson (WMAP) expérience. Sortis en mars, les nouveaux résultats WMAP fournissent l'image la plus détaillée de l'univers infantile.
La simulation commence environ 50 millions d'années après le Big Bang et calcule les interactions de 234 millions de particules de matière noire sur 13,7 milliards d'années de temps cosmologique pour produire un halo à la même échelle que la Voie lactée. Les amas à l'intérieur du halo sont les restes de fusions dans lesquelles les noyaux de halos plus petits ont survécu sous forme de sous-halos liés par gravitation en orbite dans le plus grand système hôte.
La simulation a produit cinq sous-halos massifs (chacun représentant plus de 30 millions de fois la masse du Soleil) et de nombreux plus petits dans les 10% intérieurs du halo hôte. Pourtant, une seule galaxie naine connue (Sagittaire) est aussi proche du centre de la Voie lactée, a déclaré Diemand.
«Il y a de gros amas de matière noire dans la même région où se trouverait le disque de la Voie lactée. Ainsi, même dans le voisinage local de notre système solaire, la distribution de la matière noire peut être plus compliquée que nous ne le pensions », a-t-il déclaré.
Les astronomes peuvent détecter des amas de matière noire dans le halo de la Voie lactée avec les futurs télescopes à rayons gamma, mais uniquement si la matière noire est constituée des types de particules qui donneraient lieu à des émissions de rayons gamma. Certains candidats à la matière noire - comme le neutrino, une particule théorique prédite par la théorie de la supersymétrie - pourraient s'annihiler (c'est-à-dire être mutuellement détruits) lors de collisions, générant de nouvelles particules et émettant des rayons gamma.
"Les télescopes à rayons gamma existants n'ont pas détecté d'anéantissement de la matière noire, mais les expériences à venir seront plus sensibles, il y a donc un certain espoir que chaque sous-halo puisse produire une signature observable", a déclaré Kuhlen.
En particulier, les astronomes attendent avec intérêt les résultats intéressants du télescope spatial à grande zone gamma (GLAST), dont le lancement est prévu en 2007, a-t-il déclaré.
La simulation fournit également un outil utile pour les astronomes d'observation qui étudient les étoiles les plus anciennes de notre galaxie en fournissant un lien entre les observations actuelles et les phases antérieures de la formation des galaxies, a déclaré Diemand.
«Les premières petites galaxies se sont formées très tôt, environ 500 millions d'années après le Big Bang, et il y a encore aujourd'hui des étoiles dans notre galaxie qui se sont formées à ce stade précoce, comme un record fossile de formation précoce d'étoiles. Notre simulation peut fournir le contexte d'où proviennent ces vieilles étoiles et comment elles se sont retrouvées dans les galaxies naines et sur certaines orbites dans le halo stellaire aujourd'hui », a déclaré Diemand.
Source d'origine: communiqué de presse de l'UC Santa Cruz
