Des chercheurs de l’Institut Périmètre ont créé un nouvel outil computationnel pour modéliser la matière noire auto-interagissante, comblant une lacune dans les simulations précédentes. Cette innovation permet des études plus rapides et précises sur la manière dont une telle matière noire influence la formation des galaxies. Ce travail, publié dans Physical Review Letters, pourrait révéler des insights sur les structures cosmiques et les origines des trous noirs.
Depuis près d’un siècle, la matière noire intrigue les cosmologistes en raison de son rôle gravitationnel invisible dans la formation des galaxies et la structure à grande échelle de l’univers. Dans une étude publiée dans Physical Review Letters, James Gurian, boursier postdoctoral à l’Institut Périmètre, et Simon May, désormais ERC Preparative Fellow à l’Université de Bielefeld, présentent KISS-SIDM, un nouveau code pour simuler la matière noire auto-interagissante (SIDM). La SIDM est composée de particules qui entrent en collision de manière élastique entre elles mais pas avec la matière baryonique ordinaire. Ces interactions peuvent entraîner un effondrement gravothermique dans les halos de matière noire — de vastes amas entourant les galaxies, plus denses que la densité moyenne de l’univers mais relativement diffus. « La matière noire forme des amas relativement diffus qui sont encore beaucoup plus denses que la densité moyenne de l’univers », explique Gurian. « La Voie lactée et d’autres galaxies vivent dans ces halos de matière noire. » Le processus implique un transport d’énergie : les auto-interactions déplacent l’énergie vers l’extérieur, chauffant et densifiant le cœur du halo. « Vous avez cette matière noire auto-interagissante qui transporte l’énergie, et elle tend à la transporter vers l’extérieur dans ces halos », dit Gurian. « Cela conduit à ce que le cœur interne devienne vraiment chaud et dense alors que l’énergie est transportée vers l’extérieur. » Avec le temps, cela peut culminer en un effondrement du cœur, potentiellement lié à la formation de trous noirs. Les simulations antérieures étaient insuffisantes dans le régime intermédiaire entre collisions rares et espacées (gérées par les méthodes N-body) et denses et fréquentes (adaptées aux modèles fluides). « Mais pour l’entre-deux, il n’y avait pas de bonne méthode », note Gurian. KISS-SIDM comble cette lacune, offrant une précision avec des exigences computationnelles minimales — il fonctionne sur un ordinateur portable et est disponible publiquement. « Avant, si vous vouliez tester différents paramètres pour la matière noire auto-interagissante, vous deviez utiliser ce modèle fluide vraiment simplifié ou aller sur un cluster, ce qui est coûteux en calcul. Ce code est plus rapide, et vous pouvez le lancer sur votre ordinateur portable », ajoute Gurian. L’outil gagne en pertinence grâce à des observations récentes de galaxies suggérant des anomalies que les modèles standards de matière noire ne peuvent expliquer. Neal Dalal, membre du corps professoral de l’Institut Périmètre, loue l’avancée : « Leur article devrait permettre un large spectre d’études qui étaient auparavant intraitables. » Pourtant, des questions persistent, comme le point final de l’effondrement. « La question fondamentale est : quel est le point final de cet effondrement ? C’est ce que nous aimerions vraiment faire — étudier la phase après la formation d’un trou noir », dit Gurian. Ce développement ouvre des portes pour explorer le rôle de la matière noire dans l’évolution cosmique, remodelant potentiellement nos compréhensions des galaxies et des trous noirs.