La matière sombre, l'énigme invisible préférée de l'univers, est généralement décrite comme une substance qui ne répond qu'à la gravité. Mais les scientifiques, jamais contents d'une histoire simple, explorent désormais une possibilité plus complexe : les particules de matière sombre pourraient également interagir via une force cachée qui leur est propre. Une nouvelle étude publiée dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) a examiné ce qui se passerait si la matière sombre subissait une force attractive supplémentaire. Les résultats ont été étonnamment contre-intuitifs : bien que la force amène la matière sombre à se rassembler plus efficacement, elle n'accélère généralement pas la croissance des structures cosmiques. Au contraire, elle tend à ralentir cette croissance.
Pourquoi les scientifiques envisagent-ils une 'force sombre' ? Parce que des observations très précises de l'Univers ont produit des résultats qui ne correspondent pas toujours parfaitement. Les mesures de l'expansion cosmique et du développement des galaxies et d'autres grandes structures semblent parfois raconter des histoires légèrement différentes. Certaines observations de l'Univers lointain suggèrent que l'expansion a pu se dérouler un peu plus lentement dans le passé que ne le prédit le modèle cosmologique standard. Pendant ce temps, les études du fond diffus cosmologique ont longtemps suggéré que la matière pourrait être plus étroitement regroupée aux plus grandes échelles de l'Univers que prévu. Ces différences sont relativement faibles, mais elles ont encouragé les scientifiques à se demander si le modèle standard de la cosmologie pourrait manquer un ingrédient important.
Une possibilité est que les particules de matière sombre ressentent une force supplémentaire que la matière ordinaire ne peut pas détecter. Parce que l'interaction ne fonctionnerait que dans le secteur de la matière sombre, les chercheurs la qualifient de 'force sombre'. Une telle interaction pourrait potentiellement affecter à la fois l'expansion de l'Univers et la formation des galaxies et des structures cosmiques plus grandes. 'Ce que nous savons vraiment de la matière sombre jusqu'à présent n'a été appris que par ses effets gravitationnels', déclare Zachary Weiner, chercheur à l'Institut Perimeter de physique théorique et auteur correspondant de l'étude. 'Cela laisse ouverte la possibilité que la matière sombre ait des interactions supplémentaires cachées à la matière ordinaire.'
L'équipe de recherche a étudié un groupe de modèles théoriques dans lesquels les particules de matière sombre interagissent par une force à longue portée en plus de la gravité. En utilisant des calculs théoriques ainsi que des données cosmologiques, les scientifiques ont étudié comment cette interaction cachée influencerait l'histoire de l'expansion cosmique et la croissance des structures à grande échelle. Au premier abord, le résultat attendu semble simple : si les particules de matière sombre s'attirent mutuellement par une autre force, elles devraient s'assembler en amas plus rapidement. Ce regroupement plus fort pourrait également sembler expliquer les observations suggérant que l'Univers contient des structures plus denses que prévu. 'La première chose à laquelle on s'attend, c'est que donner à la matière sombre une force attractive supplémentaire devrait accélérer la croissance des structures', dit Weiner. 'Mais un autre effet entre en jeu en même temps.'
Dans les modèles examinés par les chercheurs, la force supplémentaire rend effectivement la matière sombre plus efficace pour se regrouper. Cependant, elle modifie également la façon dont la matière sombre se comporte à mesure que l'Univers s'étend. Le même processus amène les particules de matière sombre à perdre effectivement de la masse au fil du temps. Cette réduction affaiblit leur influence gravitationnelle, compensant l'attraction plus forte produite par la force cachée. En conséquence, le regroupement renforcé ne crée pas une empreinte gravitationnelle plus forte sur le fond diffus cosmologique. Dans la plupart des cas, l'effet combiné supprime en fait la croissance des structures cosmiques.
Ces résultats pourraient avoir des implications pour les théories qui vont au-delà de la matière sombre seule. Certaines explications proposées pour les mesures récentes de l'instrument spectroscopique de l'énergie sombre (DESI) impliquent des interactions similaires entre particules de matière sombre. Selon les chercheurs, le mécanisme nouvellement identifié est susceptible d'influencer bon nombre de ces modèles plus compliqués.