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Le télescope James Webb peut aider à tester directement une théorie sur la matière noire
Au cours des derniers mois, le télescope James Webb a pu capturer des images inédites de galaxies très lointaines. Grâce à ces relevés, les scientifiques ont une idée plus précise des propriétés des galaxies primitives et de leur formation. Une équipe d’astrophysiciens affirme aujourd’hui que la détection de petites galaxies exceptionnellement brillantes permettrait de confirmer un modèle cosmologique reposant sur l’existence de matière noire froide.
« Le télescope spatial James Webb (JWST) a ouvert une nouvelle fenêtre sur les premières galaxies de l’Univers », écrivent les chercheurs dans The Astrophysical Journal Letters. Ces galaxies hébergent la première génération d’étoiles, dites « étoiles de population III ». Ces étoiles, très massives et lumineuses, seraient les premières de l’Univers. Elles pourraient avoir largement contribué à la réionisation de l’Univers et à la formation des premiers métaux. Cependant, elles n’ont encore jamais été observées directement. Selon le modèle ΛCDM, ces étoiles sont apparues au cours des premières centaines de millions d’années après le Big Bang. Les observations de galaxies très lointaines – à redshift élevé – sont l’opportunité de tester les modèles de formation de galaxies et donc, le modèle ΛCDM lui-même. Ce dernier implique une constante cosmologique (Λ) et la présence de matière noire froide.
Des interactions précoces entre la matière noire et la matière ordinaire
La matière noire est un type de matière hypothétique qui n’interagit pas avec l’électromagnétisme ou la lumière. Par conséquent, il est impossible de l’observer directement. Son existence a été déduite uniquement des effets gravitationnels qu’elle exerce sur la matière ordinaire. En théorie, elle représente environ 27 % de la densité d’énergie de l’Univers observable. On sait que toutes les galaxies sont entourées de halos de cette matière mystérieuse. Les scientifiques pensent qu’elle a même été essentielle à leur formation. Le processus reste néanmoins à éclaircir.
Le modèle standard de la cosmologie – qui repose sur le modèle ΛCDM – soutient que les premières étoiles et galaxies se sont formées sous l’effet de l’attraction gravitationnelle de la matière noire. Celle-ci aurait lentement attiré suffisamment de matière ordinaire (baryonique) pour former les étoiles et les galaxies que nous voyons aujourd’hui. La matière noire froide dont il est question ici se compose de particules qui se déplacent plus lentement que la lumière. Ainsi, ce processus de formation se serait produit très progressivement.
Il y a plus de 13 milliards d’années, avant la formation des premières galaxies, la matière ordinaire – constituée de surdensités d’hydrogène et d’hélium gazeux issus du Big Bang – et la matière noire se déplaçaient l’une par rapport à l’autre dans l’Univers en expansion. Le gaz s’écoulait à des vitesses supersoniques parmi les réseaux denses de matière noire, qui eux, se déplaçaient plus lentement – et qui, en théorie, auraient dû l’attirer pour former des galaxies.
« Dans les modèles qui ne prennent pas en compte ce flux, c’est exactement ce qui se produit. Le gaz est attiré par l’attraction gravitationnelle de la matière noire, forme des amas et des nœuds si denses que la fusion de l’hydrogène peut se produire, formant ainsi des étoiles comme notre soleil », explique Claire Williams, doctorante à l’UCLA et première auteure de l’étude. En tenant compte de l’effet d’écoulement généré par les mouvements relatifs des deux types de matière, le résultat est quelque peu différent.
Des galaxies beaucoup plus brillantes
De nouvelles recherches menées par Williams et ses collaborateurs montrent qu’en prenant en compte les interactions entre la matière noire et la matière baryonique primitive dans les modèles informatiques, les éléments gazeux, de par leur vitesse, échappent momentanément à l’attraction de la matière noire. Ils se déplacent au-delà des amas de matière noire, « rebondissant » sur eux. Ce processus empêche la formation précoce d’étoiles. En revanche, lorsque le gaz finit par se regrouper des millions d’années plus tard, il induit une courte période de formation rapide d’étoiles.
Le phénomène donne naissance à de petites galaxies exceptionnellement brillantes, abritant des étoiles massives, chaudes et lumineuses. « Alors que le flux a empêché la formation d’étoiles dans les plus petites galaxies, il a également stimulé la formation d’étoiles dans les galaxies naines, ce qui leur a permis d’éclipser les zones de l’Univers sans flux », souligne Williams.
Ces petites galaxies, âgées de seulement 375 millions d’années après le Big Bang, sont généralement extrêmement difficiles à détecter. Mais du fait qu’elles soient très brillantes, le JWST devrait être en mesure de les repérer. Si les modèles de matière noire froide sont corrects, il trouvera des parcelles de galaxies beaucoup plus brillantes que prévu.
Une telle découverte constituerait une preuve indirecte de l’existence de la matière noire. Elle permettrait, en outre, de confirmer son rôle dans la formation des galaxies. « [Cela] confirmerait que nous sommes sur la bonne voie avec le modèle de la matière noire froide, car seule la vitesse entre deux types de matière peut produire le type de galaxie que nous recherchons », explique l’astrophysicienne Smadar Naoz, qui a dirigé l’étude.
Un test efficace du modèle de la matière noire froide
À l’inverse, si ces galaxies naines brillantes restent introuvables lors des observations de JWST, cela signifiera que l’effet de flux n’est pas présent et donc, que la matière noire ne se comporte pas comme la matière noire froide standard. Les scientifiques devront dans ce cas revoir leurs modèles.
« La vitesse du flux est une prédiction robuste du modèle ΛCDM et n’est pas présente ou décroît rapidement dans certains modèles alternatifs de matière noire ; ainsi, nos méthodes représentent un nouveau test de la formation de la structure ΛCDM et peuvent aider à contraindre les modèles alternatifs », concluent les chercheurs.
Les observations de JWST fournissent un aperçu inédit des débuts de l’Univers. Il a déjà détecté plusieurs galaxies à redshift élevé (z > 9), formées peu de temps après le Big Bang. Cette vue directe sur les premiers stades de la formation des galaxies permet de pratiquer des tests cosmologiques plus précoces qu’auparavant.
>>À lire aussi : La matière noire auto-interactive : une solution à deux énigmes
Les galaxies naines sont présentes dans tout l’Univers et on pense qu’elles représentent le type de galaxie le plus ancien. C’est pourquoi elles intéressent particulièrement les scientifiques qui étudient les origines de l’Univers. Cependant, certaines des galaxies naines connues ne correspondent pas aux prédictions. Celles qui se trouvent près de la Voie lactée tournent plus vite ou sont moins denses que dans les simulations. Cet écart avec les modèles est peut-être dû à l’omission des interactions entre le gaz et la matière noire.
Si le télescope repère des petites galaxies exceptionnellement brillantes et très lointaines, elles seront la preuve que des interactions entre matière noire et matière baryonique se sont produites très tôt dans l’Univers, peu après le Big Bang.
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Le télescope spatial James Webb découvre par erreur une galaxie qui ne devrait pas exister
La découverte d'une galaxie naine, nommée PEARLSDG, par une équipe d'astronomes dirigée par Tim Carleton de l'Université d'État de l'Arizona, remet en question nos connaissances sur l'évolution des galaxies. Observée grâce au Télescope Spatial James Webb (JWST), cette galaxie se distingue par son absence de formation stellaire et son isolement, défiant ainsi les théories actuelles.
Les galaxies naines, souvent définies par leur petite taille et leur faible luminosité, sont parmi les objets les plus abondants de l'Univers. PEARLSDG, cependant, présente des caractéristiques inattendues pour une galaxie de ce type: elle ne forme pas de nouvelles étoiles et ne semble pas interagir avec d'autres galaxies voisines. Ce profil est atypique pour une galaxie naine, qui, lorsqu'elle est isolée, continue généralement de former de jeunes étoiles.
PEARLSDG est identifiée en cyan, et les carrés verts montrent la zone couverte par l'imagerie NIRCam. Deux des galaxies massives les plus proches (en projection) sont identifiées par des cercles rouges.
Crédit: The Astrophysical Journal Letters (2024).
La découverte a été faite dans le cadre du projet JWST Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science (PEARLS), bien que PEARLSDG ne fût pas l'objectif principal des observations. C'est l'analyse des images prises par la caméra Near-InfraRed (NIRCam) du JWST qui a permis de mettre en évidence cette galaxie naine éloignée. La résolution et la sensibilité élevées de NIRCam ont rendu possible l'identification des étoiles individuelles au sein de PEARLSDG, offrant ainsi une précieuse information sur la distance de la galaxie, estimée à 98 millions d'années-lumière.
L'absence de signature de formation stellaire récente, typique des nouvelles étoiles, ainsi que l'analyse spectrométrique réalisée avec le spectrographe DeVeney sur le télescope Lowell Discovery à Flagstaff, en Arizona, confirment l'état de stase de PEARLSDG. Ces observations sont complétées par des données d'archives en ultraviolet, optique et infrarouge, provenant notamment des télescopes spatiaux Galex et Spitzer, ainsi que du Sloan Digital Sky Survey et du Dark Energy Camera Legacy Survey.
Cette découverte remet en cause la compréhension actuelle de l'évolution des galaxies, suggérant l'existence d'autres galaxies naines isolées et quiescentes qui restent à découvrir. Le JWST, avec ses instruments avancés, joue un rôle clé dans cette quête, ouvrant de nouvelles perspectives sur la formation et l'évolution des galaxies dans l'Univers.🌏🌎🌍🌠🌌🌌🌌🌌🌌🌌🌌🌌🌐🌐🌐🌐👽👽👽👽
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Un cristal temporel utilisé avec succès pour stabiliser les calculs d’un ordinateur quantique
Pour la première fois, l’intégration d’un cristal temporel dans un ordinateur quantique a permis de stabiliser l’état quantique des qubits dans le cadre d’une récente expérience. Inspiré par le célèbre paradoxe du chat de Schrödinger, le système utilise des séquences de micro-ondes pour former un cristal temporel filtrant les fluctuations et les perturbations externes qui pourraient autrement détruire l’enchevêtrement quantique.
La stabilisation des états quantiques représente un défi majeur pour l’essor de l’informatique quantique, une technologie prometteuse qui pourrait révolutionner le traitement de l’information. Récemment, une équipe de chercheurs de l’Université de l’Académie des sciences de Chine a franchi une étape significative dans ce domaine.
Le travail, publié sur la plateforme de pré-impression arXiv, démontre l’utilisation d’un cristal temporel en tant que « bouton de contrôle » pour stabiliser un état quantique fragile, inspiré par le célèbre paradoxe du chat de Schrödinger. En utilisant des séquences micro-ondes pour former le cristal temporel, le système protège ainsi l’état quantique des qubits contre les perturbations.
La naissance des cristaux temporels
L’idée des cristaux temporels a été introduite par Frank Wilczek en 2012. En proposant l’existence d’un état de la matière qui oscille de manière périodique sans consommation d’énergie externe, Wilczek a remis en question des principes fondamentaux. Cette oscillation, qui en réalité n’est pas perpétuelle (interdit par les lois de la physique), défie tout de même l’intuition première sur l’équilibre thermodynamique et la conservation de l’énergie. Initialement accueillie avec scepticisme, la théorie a gagné en crédibilité à mesure que des expériences ont confirmé la possibilité de créer de tels états, transformant une curiosité théorique en une réalité expérimentale. Contrairement à ce que suggérait Wilczek cependant, un cristal temporel nécessite bel et bien un apport d’énergie externe.
Le récent exploit du physicien Biao Huang et de son équipe a permis de franchir une étape supplémentaire en matérialisant ce concept dans le domaine de l’informatique quantique. En intégrant un cristal temporel discret au cœur d’un ordinateur quantique, ils ont non seulement démontré la faisabilité de ces états dans un système strict, mais leur ont aussi trouvé une application pratique concrète. Le cristal temporel agit comme un régulateur, ou un « bouton de contrôle », qui maintient les qubits dans un état de fluctuation temporelle contrôlée. Cette stabilité des états quantiques est essentielle pour le calcul et la communication quantiques.
Le défi de la stabilisation d’un état quantique fragile
Les qubits, unités de base de l’information dans un ordinateur quantique (à l’instar des bits dans un ordinateur classique), peuvent exister dans des superpositions d’états, c’est-à-dire être dans les états 1 et 0 simultanément, contrairement aux bits classiques qui sont limités à un état fixe à tout moment (0 ou 1). Lorsque ces qubits sont arrangés dans un état GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger), ils manifestent un enchevêtrement quantique à un niveau profond, signifiant que l’état de chaque qubit est intrinsèquement lié à l’état des autres, peu importe la distance qui les sépare. Cependant, cet enchevêtrement, bien qu’offrant des possibilités extraordinaires pour le calcul quantique, rend l’état GHZ extrêmement sensible aux perturbations environnementales. Cette sensibilité augmente avec le nombre de qubits impliqués, posant un défi majeur pour la réalisation d’états GHZ stables et exploitables dans des applications pratiques.
Face à cette vulnérabilité, l’innovation apportée par l’utilisation d’un cristal temporel représente une solution ingénieuse. En exposant les qubits à une séquence spécifiquement établie de pulsations micro-ondes, les chercheurs ont pu induire une oscillation temporelle régulière des états quantiques, caractéristique d’un cristal temporel. Cette méthode a permis de créer un environnement stable, agissant comme un « abri » pour l’état GHZ. Autrement dit, le cristal temporel filtre les fluctuations et les perturbations externes qui pourraient autrement détruire l’enchevêtrement quantique.🌏🌎🌍🌠🌌🌌🌌🌌🌌🌌🌐🌐🌐🌐👽👽👽👽👽
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