Le murmure des premières étoiles a provoqué un vif débat sur la matière noire

Une récente découverte inattendue suggère que le premier univers ne ressemblait pas du tout à ce que l'on pensait auparavant. Les théories initiales selon lesquelles la matière noire est responsable de cet écart sont critiquées

Les nouvelles des premières étoiles de l'Univers semblent toujours étranges. En juillet dernier, Renan Barkana , un cosmologiste de l'Université de Tel Aviv, a reçu un e-mail de son collègue de longue date, Jada Bowman . Bowman dirige un petit groupe de cinq astronomes qui ont construit et mis en service un radiotélescope dans une partie reculée de l'ouest de l'Australie. Son objectif est de découvrir le murmure des premières étoiles. Bowman et l'équipe ont trouvé un signal pas tout à fait clair. Et il a demandé à Barkan de l'aider à réfléchir à ce qui pouvait déclencher exactement un tel signal.

Pendant les années où les radiotélescopes balaient le ciel, les astronomes espèrent capter les faibles signaux des premières étoiles de l'univers. Ces objets sont trop faibles et à une distance de plus de 13 milliards d'années-lumière - trop éloignés pour être distingués par des télescopes ordinaires. Au lieu de cela, les astronomes recherchent des traces des effets de ces étoiles sur le gaz qui les entoure. L'équipement de Bowman, comme d'autres télescopes, essaie de détecter une certaine défaillance dans le graphique des ondes radio provenant des bords éloignés de l'univers.

De telles mesures sont terriblement difficiles à faire, car les signaux potentiels peuvent être perdus non seulement dans une énorme quantité de signaux radio de la société moderne - c'est l'une des raisons pour lesquelles l'expérience est dans les arrière-cours de l'Australie - mais aussi dans les signaux provenant de sources spatiales proches, telles que notre Voie lactée. Et pourtant, après de nombreuses années de travail méthodique, Bowman avec ses collègues et l'expérience EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature - une expérience pour trouver des traces de l'ère mondiale de la réionisation) sont arrivés à la conclusion qu'ils avaient non seulement découvert les premières étoiles, mais aussi trouvé preuve que le jeune cosmos était beaucoup plus froid que tout le monde ne le pensait.

Barkana était sceptique. «D'une part, les mesures semblaient fiables», a-t-il déclaré. "D'un autre côté, c'était très inattendu."

Qu'est-ce qui pourrait rendre le premier univers froid? Barkana a examiné toutes les possibilités et s'est rendu compte que cela pouvait être dû à la présence de matière noire - une substance mystérieuse qui remplit l'Univers, et en même temps échappe à toutes les tentatives pour comprendre ce que c'est et comment cela fonctionne. Il a découvert que les résultats d'EDGES peuvent être interprétés comme une toute nouvelle façon d'interaction entre la matière ordinaire et la matière noire.

EDGES a annoncé les détails de ce signal et de la découverte des premières étoiles de l'univers dans le numéro du 1er mars de Nature. Parallèlement à l'article, le travail de Barkana a été publié décrivant cette nouvelle idée de la matière noire. Les médias du monde entier ont diffusé la nouvelle de la découverte. L'Associated Press a écrit: «Les astronomes ont aperçu l'aurore de l'espace lorsque les étoiles se sont allumées», et ont ajouté «qu'ils ont peut-être aussi découvert de mystérieuses matières noires au travail».

Cependant, depuis la publication de la semaine, les cosmologistes du monde entier ont exprimé un mélange d'enthousiasme et de scepticisme. Les chercheurs qui ont vu le résultat d'EDGES pour la première fois lorsqu'il est apparu dans Nature, ont mené leur propre analyse et ont montré que même si une sorte d'énergie sombre en était responsable, comme l'a suggéré Barkan, seule une très petite partie de celui-ci pourrait avoir un effet. (Barkan lui-même a participé à certaines de ces études.) Mais les astronomes expérimentaux ont déclaré que bien qu'ils respectent l'équipe EDGES et le travail rigoureux qu'elle a fait, ces mesures sont difficiles à faire entièrement confiance. "Si ce n'était pas une découverte révolutionnaire, il serait beaucoup plus facile pour les gens de croire aux résultats", a déclaré Daniel Price, astronome à l'Université de technologie de Swinburne en Australie, travaillant sur des expériences similaires. "Des déclarations vives nécessitent des preuves vives."

Ce message a fait écho dans la communauté cosmologique depuis la publication d'articles dans la revue Nature.

Source chuchotée

Le lendemain du jour où Bowman a contacté Barkana et lui a parlé d'un signal EDGES inattendu, Barkana est allé avec sa famille rendre visite aux parents de sa femme. Pendant le voyage, dit-il, il a réfléchi au signal, racontant à sa femme une énigme intéressante que Bowman lui avait racontée.

Bowman, avec l'équipe EDGES, a détecté de l'hydrogène neutre qui a rempli l'univers au cours des premiers millions d'années après le Big Bang. Ce gaz était susceptible d'absorber la lumière, ce qui a conduit à ce que les cosmologistes appellent poétiquement «les âges sombres». Bien que l'espace était rempli de lumière de fond diffusée, le rayonnement relique (RI) - la soi-disant rémanence du Big Bang - ce gaz neutre l'a absorbé à certaines longueurs d'onde. EDGES cherchait exactement ce modèle d'absorption.

Lorsque les étoiles ont commencé à s'allumer dans l'Univers, leur énergie était censée chauffer le gaz. En conséquence, le gaz a atteint une température suffisamment élevée et a cessé d'absorber le RI. Les signaux d'absorption ont cessé et les âges sombres ont pris fin.

Le signal d'absorption mesuré par EDGES contient une mine d'informations. Il a été étiré pendant que le motif d'absorption se déplaçait dans l'univers en expansion. Les astronomes peuvent utiliser ce tronçon pour estimer la durée de transit du signal, et donc le moment où les premières étoiles se sont allumées. De plus, la largeur du signal détecté correspond à la durée pendant laquelle le gaz a absorbé le rayonnement. Et l'intensité du signal - la quantité de lumière absorbée - est associée à la température du gaz et à la quantité de lumière dans l'espace à ce moment-là.

De nombreux chercheurs considèrent cette dernière caractéristique comme la plus intéressante. "Cette absorption s'est avérée être beaucoup plus forte que ce que nous pensions possible", a déclaré Stephen Furlaneto, cosmologiste à l'Université de Californie à Los Angeles, qui a étudié ce que les données EDGES pouvaient signifier pour la formation des premières galaxies.


Les lignes bleues du graphique indiquent la force d'absorption attendue, selon différents modèles. La ligne rouge montre l'absorption mesurée.

L'explication la plus évidente de la force du signal serait que le gaz neutre était plus froid que prévu, c'est pourquoi il pouvait absorber plus de RI. Mais comment l'univers s'est-il soudainement refroidi? "Nous parlons de la période au cours de laquelle les étoiles ont commencé à se former", a déclaré Barkana, "de l'obscurité avant l'aube." "Donc, tout était aussi froid que possible." La question est: qu'est-ce qui pourrait être encore plus froid? »

Lorsqu'il s'est garé sur la pelouse de la maison des parents de sa femme ce jour-là, il a eu l'idée: pourrait-il s'agir de matière noire? En effet, la MT, apparemment, n'interagit pas avec la matière normale par la force électromagnétique - elle n'absorbe pas et n'émet pas de chaleur. Ainsi, la MT pourrait initialement être plus froide ou refroidir beaucoup plus longtemps que la matière normale au début de l'Univers, puis continuer à refroidir.

Au cours de la semaine suivante, il a travaillé sur une théorie de la façon dont la forme hypothétique de la MT, appelée « matière noire des particules microchargées », pourrait être responsable de cela. La matière noire micro-chargée (MTM) pourrait interagir avec la matière ordinaire, mais uniquement par une faible interaction. Le gaz intergalactique pourrait alors se refroidir, "en fait, simplement en déversant de la chaleur dans le secteur de la matière noire, qui n'est plus visible", a expliqué Furlaneto. Barkana a décrit cette idée et l'a envoyée à la Nature.


Renan Barkana

Puis il a commencé à travailler avec cette idée plus en détail et avec l'aide de collègues. D'autres scientifiques ont fait de même. Immédiatement après l'apparition des travaux dans Nature, plusieurs cosmologistes-théoriciens ont commencé à comparer le comportement de ce type inattendu de MT avec ce que nous savons de l'Univers - des décennies d'observations de rayonnement X, des données d'explosions de supernova, des résultats de collision dans des accélérateurs de particules tels que le Grand collisionneur de hadrons, et la compréhension les astronomes de la façon dont le Big Bang a produit de l'hydrogène, de l'hélium et du lithium dans les premières minutes de l'univers. S'il y avait du MTM, toutes ces observations sont-elles significatives?

Mais rien n'a fonctionné. Plus précisément, les chercheurs ont découvert que le MTM ne peut représenter qu'une petite fraction du nombre total de MT dans l'Univers - trop petit pour créer la défaillance observée dans les données EDGES. "100% TM ne peut pas interagir de cette façon", a déclaré Anastasia Fialkov , astrophysicienne à l'Université de Harvard et première auteur d'un article envoyé à la revue Physical Review Letters. Un autre travail, dont Barkan et ses collègues ont envoyé la préimpression à arxiv.org, affirme que ce pourcentage devrait être encore inférieur - il ne peut pas dépasser 1 à 2% du nombre total de MTM. Des groupes indépendants sont arrivés à la même conclusion.

Si ce n'est pas du MTM, qu'est-ce qui peut expliquer la puissance d'absorption du signal inattendue des EDGES? Une autre possibilité est l'existence d'une lumière de fond supplémentaire à l'aube de l'espace. Si l'Univers primitif avait plus d'ondes radio que prévu, alors "l'absorption semblerait plus forte, bien que le gaz lui-même resterait le même", a déclaré Furlaneto. Peut-être que RI n'était pas la seule lumière de fond dans l'enfance de l'univers.

Et cette idée n'est pas si étrange. En 2011, une expérience utilisant un ballon, ARCADE 2 , a signalé la présence d'un signal radio de fond qui dépassait en puissance tout ce que l'on pouvait attendre de RI. Les scientifiques ne peuvent toujours pas expliquer ce résultat.

Après la découverte d'EDGES, plusieurs groupes d'astronomes ont repensé les données. Un groupe a étudié la possibilité d' expliquer les données à l'aide de BH, car ce sont les sources extragalactiques les plus brillantes d'émission radio dans le ciel. Cependant, les BH émettent également d'autres types de rayonnement, par exemple des rayons X, qui ne sont pas observés dans l'Univers primitif. Par conséquent, les astronomes sont sceptiques quant à l'idée que les BH peuvent être la réponse.

Le signal est-il réel?

L'explication la plus simple de ce qui se passe est peut-être que les données sont tout simplement incorrectes. Les mesures sont extrêmement difficiles. Cependant, à en juger par tout, l'équipe EDGES a fait tout son possible pour vérifier et revérifier leurs données - Price a appelé l'expérience «sélective» - ce qui signifie que s'il y a un défaut dans les données, il sera extrêmement difficile à trouver.


Cette antenne pour l'expérience EDGES a été mise en service en 2015 dans un endroit isolé de l'ouest de l'Australie, où il n'y a pratiquement aucune interférence radio

L'équipe EDGES a lancé son antenne radio en septembre 2015. En décembre, ils avaient déjà vu le signal, a déclaré Raul Monsalve , cosmologiste expérimental à l'Université du Colorado à Boulder, et membre de l'équipe EDGES. "Nous nous sommes immédiatement méfiés de lui parce qu'il était plus fort que prévu."

C'est ainsi qu'a commencé leur marathon de diligence raisonnable. Ils ont construit une antenne similaire et l'ont installée à 150 mètres de la première. Ils ont fait pivoter les antennes pour éliminer les influences environnementales et les outils. Ils ont utilisé des techniques d'étalonnage et d'analyse distinctes. "Nous avons fait toutes sortes de tests et d'expériences pour essayer d'éliminer la probabilité que le signal provienne de l'environnement ou d'une autre source", a déclaré Monsalve. - Au début, nous ne nous croyions pas. Nous pensions qu'un signal aussi fort semblait très suspect, alors cela nous a pris tellement de temps pour publier. » Ils sont convaincus qu'ils voient le signal et que le signal est d'une force inattendue.

"Je crois au résultat", a déclaré Price, mais il a souligné que les données devaient encore être vérifiées pour détecter les erreurs systématiques. Il a mentionné un domaine où l'expérience, en principe, pourrait ignorer l'erreur: la sensibilité de toute antenne dépend de la fréquence et de la direction d'arrivée du signal observées. Les astronomes peuvent prendre en compte ces imperfections, soit en les mesurant, soit en les modélisant. Bowman et ses collègues ont décidé de les modéliser. Price suggère aux membres de l'équipe EDGES de trouver un moyen de les mesurer, puis de ré-analyser le signal, en tenant compte de l'effet mesuré.

L'étape suivante consiste à faire détecter ce signal sur un autre radio-détecteur, ce qui signifierait que le signal provient du ciel, et non de l'antenne ou du modèle EDGES. Des scientifiques du projet LEDA (Large-Aperture Experiment to Detect the Dark Ages - une expérience avec une grande ouverture pour détecter les âges sombres), situé en Californie dans la vallée d'Owens, analysent actuellement les données de cet outil. Ensuite, ils devront confirmer que le signal a une nature cosmologique et n'est pas produit quelque part dans notre Voie lactée. Ce n'est pas une tâche facile. L'émission radio de notre galaxie peut être des milliers de fois plus forte que les signaux cosmologiques.

En général, les chercheurs associent les mesures EDGES et leur interprétation à une saine part de scepticisme, comme le disent Barkana et bien d'autres. Les scientifiques doivent être sceptiques quant aux premières mesures de ce type - c'est ainsi que vous pouvez garantir la fiabilité des observations, la précision de l'analyse et l'absence d'erreurs dans l'expérience. C'est ainsi que la science devrait fonctionner. "Nous posons des questions, menons des recherches, excluons toutes les opportunités erronées", a déclaré Tomer Volanski, spécialiste de la physique des particules à l'Université de Tel Aviv qui a travaillé avec Barkana sur l'un des travaux. "Nous recherchons la vérité." Si la vérité est que ce n'est pas de la MT, alors ce n'est pas de la MT. »