Matière noire auto-interagissante (SIDM)

La matière noire auto-interagissante, généralement désignée par l'abréviation SIDM provenant de l'anglais Self-Interacting Dark Matter, est une famille de modèles dans lesquels les particules constituant la matière noire peuvent interagir entre elles par l'intermédiaire d'une interaction autre que la seule gravitation. Dans le modèle cosmologique standard ΛCDM, la matière noire est habituellement considérée comme froide et presque dépourvue d'interactions non gravitationnelles significatives à l'échelle astrophysique. Les modèles SIDM conservent l'idée fondamentale d'une matière noire invisible jouant un rôle essentiel dans la formation des galaxies et des grandes structures, mais lui attribuent des propriétés supplémentaires. Ces interactions seraient suffisamment faibles pour ne pas empêcher la formation générale des structures cosmiques, tout en pouvant modifier la distribution de matière noire à l'intérieur des galaxies et des amas. Les particules de matière noire pourraient notamment entrer en collision et échanger de l'énergie ou de la quantité de mouvement entre elles. Un tel comportement peut transformer progressivement la structure interne des halos de matière noire entourant les galaxies. La SIDM est donc principalement étudiée comme une modification possible des propriétés microscopiques de la matière noire froide plutôt que comme un remplacement complet du cadre cosmologique ΛCDM.

L'intérêt pour la matière noire auto-interagissante provient notamment de certaines différences observées entre les modèles simples de matière noire froide sans collisions et les propriétés internes de certaines galaxies. Les simulations utilisant uniquement la gravitation produisent généralement des halos dont la densité augmente fortement vers leur centre, formant ce que les cosmologistes appellent souvent un profil en cuspide. Certaines observations de galaxies naines et de galaxies à faible brillance de surface semblent toutefois compatibles avec des régions centrales où la densité de matière noire varie plus lentement, produisant un coeur de densité relativement uniforme. Cette différence est connue sous le nom de problème de la cuspide et du coeur (core-cusp problem). D'autres questions concernent la diversité des courbes de rotation galactiques et les propriétés des satellites entourant les grandes galaxies. Cependant, ces difficultés ne constituent pas nécessairement des réfutations de la matière noire froide, car les processus liés à la matière baryonique peuvent également modifier considérablement la distribution de matière noire. Les explosions de supernovæ, la formation stellaire, les mouvements du gaz et l'activité des trous noirs peuvent transférer de l'énergie à leur environnement et transformer les régions centrales des galaxies. La SIDM constitue donc l'une des hypothèses étudiées parallèlement aux explications astrophysiques fondées sur ces phénomènes baryoniques.

Dans un halo composé de matière noire auto-interagissante, les particules pourraient occasionnellement entrer en collision les unes avec les autres et redistribuer leur énergie. Dans les régions centrales denses d'une galaxie, où les rencontres seraient plus fréquentes, ce mécanisme pourrait progressivement transférer de la chaleur entre différentes parties du halo. La distribution des particules pourrait alors devenir plus proche d'un équilibre thermique et produire une région centrale moins fortement concentrée que dans certains halos de matière noire froide purement collisionnelle par gravité. Un coeur central de densité approximativement constante pourrait ainsi apparaître naturellement dans certaines conditions. L'importance de cet effet dépend notamment de la fréquence des collisions, de la masse des particules, de leur vitesse relative et de la force de leur interaction. Si les interactions étaient trop importantes, elles modifieraient les halos d'une manière incompatible avec différentes observations astronomiques. Si elles étaient au contraire extrêmement faibles, leur comportement deviendrait pratiquement impossible à distinguer de celui de la matière noire froide conventionnelle. Les chercheurs tentent donc de déterminer les plages de propriétés permettant aux interactions d'avoir des effets mesurables aux échelles galactiques tout en restant compatibles avec les contraintes provenant des amas et de la cosmologie à grande échelle.

La SIDM ne désigne pas une particule particulière, mais une catégorie générale de modèles pouvant être réalisée de nombreuses façons en physique des particules. Certaines hypothèses proposent l'existence d'une nouvelle interaction agissant uniquement ou principalement entre les particules du secteur sombre, expression utilisée pour désigner des particules et des champs qui interagissent très faiblement avec la matière ordinaire. Cette interaction pourrait être transmise par une nouvelle particule médiatrice, parfois imaginée comme relativement légère par rapport aux particules de matière noire. Selon le modèle choisi, la probabilité de collision entre deux particules de matière noire pourrait également dépendre fortement de leur vitesse relative. Cette possibilité est particulièrement intéressante parce que les vitesses caractéristiques ne sont pas les mêmes dans les petites galaxies naines, les galaxies comparables à la Voie lactée et les gigantesques amas de galaxies. Une interaction dépendante de la vitesse pourrait donc produire des effets importants dans certaines petites galaxies tout en devenant beaucoup plus faible dans les amas, où les contraintes observationnelles peuvent être plus sévères. De nombreux modèles théoriques sont étudiés afin de déterminer quelles particules et quelles interactions pourraient produire un tel comportement. Aucune particule SIDM ni aucun médiateur associé n'a cependant été identifié expérimentalement de manière concluante.

Les amas de galaxies constituent des laboratoires particulièrement importants pour tester les modèles de matière noire auto-interagissante. Dans ces systèmes extrêmement massifs, les galaxies, le gaz chaud et la matière noire peuvent parfois présenter des distributions spatiales différentes, notamment lors de collisions entre deux amas. L'amas du Boulet (Bullet Cluster) est l'un des exemples les plus connus : la majeure partie du gaz baryonique observable en rayons X a été fortement ralentie lors de la collision, tandis que la distribution de masse déterminée grâce aux lentilles gravitationnelles se trouve davantage associée aux galaxies. Cette observation indique qu'une grande partie de la matière responsable de la gravitation traverse la collision avec relativement peu d'interactions dissipatives, ce qui impose des contraintes aux modèles SIDM. D'autres amas en collision sont également étudiés afin de rechercher des décalages éventuels entre les galaxies, le gaz et les halos de matière noire. Les formes des halos fournissent une autre contrainte, car des interactions trop fréquentes pourraient rendre leur distribution plus sphérique ou modifier excessivement leur structure interne. Les observations ne nécessitent donc pas simplement de déterminer si la matière noire peut s'auto-interagir, mais surtout de mesurer jusqu'à quel point de telles interactions peuvent être importantes sans contredire les propriétés des systèmes astrophysiques connus.

Les simulations numériques jouent un rôle essentiel dans l'étude de la SIDM, car l'évolution d'un halo contenant des milliards de particules ne peut pas être calculée simplement à partir de quelques interactions individuelles. Les simulations cosmologiques peuvent introduire une certaine probabilité de collision entre les particules numériques représentant la matière noire et suivre l'évolution des halos pendant plusieurs milliards d'années. Les chercheurs peuvent ensuite comparer les galaxies simulées avec les courbes de rotation, les lentilles gravitationnelles, les galaxies satellites et les amas réellement observés. Les simulations les plus réalistes doivent également intégrer la matière baryonique, car le gaz, les étoiles, les supernovæ et les trous noirs peuvent modifier profondément la structure centrale d'une galaxie. Cette combinaison rend parfois difficile la distinction entre un effet produit par l'auto-interaction de la matière noire et un effet provoqué par l'évolution de la matière ordinaire. L'étude d'un grand nombre de galaxies possédant des masses et des histoires différentes devient donc nécessaire pour rechercher des signatures statistiques caractéristiques de la SIDM. Des observations précises des petites galaxies naines sont particulièrement intéressantes, car celles-ci peuvent être fortement dominées par la matière noire. Les progrès simultanés des simulations et des relevés astronomiques permettent ainsi de tester des modèles SIDM de plus en plus détaillés.

La matière noire auto-interagissante représente finalement une possibilité intéressante pour explorer une physique du secteur sombre plus complexe que celle supposée dans la version la plus simple du modèle ΛCDM. Elle conserve plusieurs succès fondamentaux de la matière noire froide à grande échelle tout en permettant potentiellement de modifier la structure interne des halos aux échelles des galaxies. Elle pourrait ainsi contribuer à expliquer certaines propriétés des galaxies naines, des courbes de rotation et des régions centrales des halos, bien que les processus baryoniques puissent également expliquer une partie de ces observations. La SIDM doit simultanément respecter les contraintes provenant des amas de galaxies, des lentilles gravitationnelles, du fond diffus cosmologique et de la formation des grandes structures. Les expériences de physique des particules cherchent parallèlement à déterminer si le secteur sombre possède de nouvelles particules ou de nouvelles forces susceptibles de produire les interactions envisagées. À ce jour, aucune observation ne démontre de façon concluante que la matière noire possède effectivement de telles auto-interactions. La SIDM demeure donc une hypothèse active de recherche plutôt qu'un remplacement établi de la matière noire froide conventionnelle. Son étude pourrait néanmoins fournir des indices importants sur la nature microscopique de la matière noire et révéler que le secteur sombre possède une physique beaucoup plus riche que ne le suppose sa représentation la plus simple.