Universités de Tel-Aviv et d'Arizona : le Pr Barkana montre l'existence de la matière noire de l'univers
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Selon le Prof. Rennan Barkana, chef du Département d’Astronomie de l’Université de Tel-Aviv, l’analyse de l’intrigant signal radio datant du début de l’univers récemment capté par des chercheurs de l’Université d’Arizona, apporte la première preuve tangible de l’existence de la fameuse matière noire invisible qui constitue 80% de notre univers. La communauté des astrophysiciens dans le monde est en ébullition ces jours-ci suite à une double découverte particulièrement surprenante: tout d’abord, la première réception d’un signal radio datant d’une époque obscure dans l’histoire de l’Univers : celle de la formation des premières étoiles et galaxies. Mais peut-être plus important encore, les propriétés étonnantes de ces ondes radio éclairent un autre grand mystère : celui de l’existence de la matière noire.
Les ondes des premières étoiles
« La matière noire est une matière que nous ne pouvons pas observer directement comme le monde physique qui nous entoure, que ce soit les particules et les atomes, ou les étoiles et les galaxies », explique le Prof. Barkana. « Jusqu’à présent, la seule preuve de son existence était la force de gravité qu’elle exerce sur la matière qui l’entoure, et qui explique une variété de phénomènes de l’univers. Par exemple : les forces gravitationnelles font que notre galaxie, la Voie Lactée, tourne en spirale à une vitesse énorme ; mais la masse de matière observée et mesurée ne suffit pas à expliquer cette vitesse. L’hypothèse est que la masse manquante est celle de la matière noire. En fait, selon les calculs effectués par les astronomes, la matière noire compterait pour plus de 80% de toute la matière de l’univers, et les chercheurs du monde entier tentent de trouver des preuves concrètes de son existence »,
La découverte publiée par le Prof. Barkana a commencé par la réception d’une onde radio particulière par le radiotélescope EDGES en Australie, dans le cadre d’une étude menée par des chercheurs de l’Université d’Arizona aux Etats-Unis. « De tels télescopes sont conçus pour capter des signaux radio à partir du début de l’univers », explique le Prof. Barkana. « Selon la longueur de l’onde, on peut savoir de quelle période il provient dans l’histoire de l’univers. Le signal particulier capté par EDGES est le premier qui nous soit parvenu à partir d’une période intrigante, sur laquelle nous savons peu de choses : l’ère à laquelle les étoiles et les galaxies ont commencé à se former il y a 13,8 milliards d’années. Cependant, le signal capté était d’une puissance significativement plus grande que prévu, et les chercheurs américains se sont donc demandé pourquoi, et se sont adressé à moi pour obtenir la réponse à cette question ».
Un refroidissement absolu au contact de la matière noire
Selon le Prof. Barkana, la puissance surprenante du signal radio est liée à la température des atomes d’hydrogène qui flottaient dans l’espace à cette époque ancienne, température très froide, d’environ 10 degrés au-dessus du zéro absolu, soit moins 263 degrés Celsius, car l’univers n’était pas encore réchauffé par le rayonnement des soleils (les étoiles) qui n’avaient pas encore été créés. Ces atomes d’hydrogène absorbaient les ondes radio émis par les rayons cosmiques, et plus ces ondes étaient froides, plus elles étaient absorbées. Les radiotélescopes qui captent aujourd’hui les signaux du début de l’univers, mesurent en réalité cette absorption.
« L’intensité de l’absorption du signal radio capté par le télescope témoigne du fait que la température de l’hydrogène à cette époque ancienne était encore plus basse que le minimum estimé jusqu’alors possible », explique le Prof. Barkana. « La seule explication à ce refroidissement supplémentaire est un transfert d’énergie vers une matière encore plus froide, la seule candidate à l’absorption de cet excès d’énergie des atomes d’hydrogène étant la matière noire, dont la température au début de l’univers était encore plus proche du zéro absolu ». Ainsi la découverte prouve que la matière noire existe vraiment, et plus encore, qu’elle est composée de particules qui sont entrées en collision avec les atomes d’hydrogène et en ont absorbé l’énergie. Contrairement aux spéculations antérieures, ces particules sont probablement des particules légères, pas beaucoup plus lourdes que les atomes d’hydrogène.
« La recherche sur l’absorption et le décodage des ondes de l’univers est un domaine actif et en pleine croissance », conclut le Prof. Barkana. « Actuellement on construit dans le monde des radiotélescopes plus sophistiqués, en particulier le SKA, qui sera le plus grand radiotélescope du monde. Nous pensons que, grâce à lui, nous pourrons capter d’autres ondes radio indiquant l’existence de la matière noire, et je prévois qu’ils répondront à un modèle distinct, immédiatement reconnaissable. Nous pouvons certainement nous attendre à beaucoup d’autres observations et découvertes fascinantes ! ».
Auteur : Sivan Cohen-Wiesenfeld, PhD, Rédac’chef de la newsletter Université de Tel-Aviv/AFAUTA
Publication dans Nature, le 28 février 2018
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A team of astronomers led by Prof. Judd Bowman of Arizona State University unexpectedly stumbled upon « dark matter, » the most mysterious building block of outer space, while attempting to detect the earliest stars in the universe through radio wave signals, according to a study published this week in Nature.
The idea that these signals implicate dark matter is based on a second Nature paper published this week, by Prof. Rennan Barkana of Tel Aviv University, which suggests that the signal is proof of interactions between normal matter and dark matter in the early universe. According to Prof. Barkana, the discovery offers the first direct proof that dark matter exists and that it is composed of low-mass particles.
The signal, recorded by a novel radio telescope called EDGES, dates to 180 million years after the Big Bang.
What the universe is made of
« Dark matter is the key to unlocking the mystery of what the universe is made of, » says Prof. Barkana, Head of the Department of Astrophysics at TAU’s School of Physics and Astronomy. « We know quite a bit about the chemical elements that make up the earth, the sun and other stars, but most of the matter in the universe is invisible and known as ‘dark matter.’ The existence of dark matter is inferred from its strong gravity, but we have no idea what kind of substance it is. Hence, dark matter remains one of the greatest mysteries in physics.
« To solve it, we must travel back in time. Astronomers can see back in time, since it takes light time to reach us. We see the sun as it was eight minutes ago, while the immensely distant first stars in the universe appear to us on earth as they were billions of years in the past. »
Prof. Bowman and colleagues reported the detection of a radio wave signal at a frequency of 78 megahertz. The width of the observed profile is largely consistent with expectations, but they also found it had a larger amplitude (corresponding to deeper absorption) than predicted, indicating that the primordial gas was colder than expected.
Prof. Barkana suggests that the gas cooled through the interaction of hydrogen with cold, dark matter.
« Tuning in » to the early universe
« I realized that this surprising signal indicates the presence of two actors: the first stars, and dark matter, » says Prof. Barkana. « The first stars in the universe turned on the radio signal, while the dark matter collided with the ordinary matter and cooled it down. Extra-cold material naturally explains the strong radio signal. »
Physicists expected that any such dark matter particles would be heavy, but the discovery indicates low-mass particles. Based on the radio signal, Prof. Barkana argues that the dark-matter particle is no heavier than several proton masses. « This insight alone has the potential to reorient the search for dark matter, » says Prof. Barkana.
Once stars formed in the early universe, their light was predicted to have penetrated the primordial hydrogen gas, altering its internal structure. This would cause the hydrogen gas to absorb photons from the cosmic microwave background, at the specific wavelength of 21 cm, imprinting a signature in the radio spectrum that should be observable today at radio frequencies below 200 megahertz. The observation matches this prediction except for the unexpected depth of the absorption.
Prof. Barkana predicts that the dark matter produced a very specific pattern of radio waves that can be detected with a large array of radio antennas. One such array is the SKA, the largest radio telescope in the world, now under construction. « Such an observation with the SKA would confirm that the first stars indeed revealed dark matter, » concludes Prof. Barkana.[:]
