La matière noire et son influence sur la cosmologie intriguent les physiciens depuis près d’un siècle. À l’Institut Perimeter, deux chercheurs cherchent à mieux comprendre comment un candidat potentiel à la matière noire — la matière noire auto-interactive (SIDM) — pourrait influencer l’évolution des structures cosmiques.
Dans un article publié dans Physical Review Letters le 24 novembre 2025, James Gurian et Simon May présentent un nouveau code permettant d’étudier le lien entre la SIDM et l’évolution des galaxies, et ouvrent la voie à l’analyse d’un large éventail d’interactions entre particules qui étaient pratiquement inaccessibles avec les méthodes précédentes.
La matière noire qui danse seule
La SIDM est un candidat à la matière noire dont les particules peuvent entrer en collision et rebondir les unes sur les autres, mais n’interagissent pas avec la matière baryonique, la « matière ordinaire » que nous pouvons observer, comme les protons, les neutrons et les électrons. Les collisions de la SIDM conservent l’énergie selon ce que l’on appelle une auto-interaction élastique. Cela a des implications pour les halos de matière noire – des structures cosmologiques qui joueraient un rôle clé dans la formation des étoiles et l’évolution des galaxies.
« La matière noire forme des amas relativement diffus, qui restent néanmoins beaucoup plus denses que la densité moyenne de l’Univers », explique Gurian, chercheur postdoctoral au Perimeter Institute et coauteur de l’étude. « La Voie lactée et les autres galaxies évoluent au sein de ces halos de matière noire. »
La nature de la SIDM favorise un processus appelé effondrement gravothermique au sein de ces halos de matière noire. L’effondrement gravothermique découle d’un fait contre-intuitif : les systèmes liés gravitationnellement se réchauffent lorsque l’on retire de l’énergie, au lieu de se refroidir.
« Cette matière noire auto-interagissante transporte l’énergie, et elle a tendance à la transporter vers l’extérieur de ces halos », précise Gurian. « Cela entraîne un noyau interne qui devient extrêmement chaud et dense à mesure que l’énergie est transférée vers l’extérieur. » L’aboutissement de ce processus est un effondrement gravothermique du noyau.
Cartographier les structures formées par la SIDM est complexe, mais les physiciens ont mis au point plusieurs approches, chacune étant la plus efficace pour des densités de matière spécifiques.
« L’une des approches repose sur des simulations à N corps, qui fonctionnent très bien lorsque la matière noire n’est pas très dense et que les collisions sont rares. L’autre est une approche de type fluide, efficace lorsque la matière noire est très dense et que les collisions sont fréquentes. »
« Mais pour les situations intermédiaires, il n’existait pas de bonne méthode », explique Gurian. « Il fallait une approche intermédiaire capable de faire correctement le lien entre les régimes de faible densité et de forte densité. C’est de là qu’est né ce projet. »
Gurian et son coauteur Simon May, ancien chercheur postdoctoral au Perimeter Institute et aujourd’hui ERC Preparative Fellow à l’Université de Bielefeld, ont développé un code pour combler ce manque. Ce code, KISS-SIDM, est plus rapide et plus précis que les codes précédents et est mis à disposition du public pour que les chercheurs puissent l’utiliser.
« Avant, si vous vouliez tester différents paramètres pour la matière noire auto-interagissante, vous deviez soit utiliser un modèle fluide très simplifié, soit recourir à un cluster de calcul, ce qui est coûteux en ressources », explique Gurian. « Ce code est plus rapide et peut être exécuté sur un ordinateur portable. »
« Il existe récemment un intérêt considérable pour les modèles de matière noire avec interactions, en raison de possibles anomalies détectées dans les observations des galaxies, qui pourraient nécessiter une nouvelle physique du secteur sombre », explique Neal Dalal, membre du corps professoral de recherche au Perimeter Institute.
« Jusqu’à présent, il n’était pas possible d’effectuer des calculs précis de la formation des structures cosmiques dans ce type de modèles, mais la méthode développée par James et Simon apporte une solution qui permet enfin de simuler l’évolution de la matière noire dans des modèles présentant des interactions significatives », poursuit Dalal. « Leur article devrait permettre un large éventail d’études qui étaient auparavant irréalisables. »
Le processus d’effondrement du noyau suscite également l’intérêt des physiciens, car il pourrait avoir des conséquences observables sur la formation des trous noirs. Toutefois, les détails de la manière dont ce processus se termine restent une question ouverte en physique, précise Gurian. Ce code constitue une étape vers la compréhension de ce phénomène.
« La question fondamentale est la suivante : quel est le point final de cet effondrement ? C’est vraiment ce que nous aimerions étudier — la phase qui suit la formation d’un trou noir. »
À propos de l’IP
L'Institut Périmètre est le plus grand centre de recherche en physique théorique au monde. Fondé en 1999, cet institut indépendant vise à favoriser les percées dans la compréhension fondamentale de notre univers, des plus infimes particules au cosmos tout entier. Les recherches effectuées à l’Institut Périmètre reposent sur l'idée que la science fondamentale fait progresser le savoir humain et catalyse l'innovation, et que la physique théorique d'aujourd'hui est la technologie de demain. Situé dans la région de Waterloo, cet établissement sans but lucratif met de l'avant un partenariat public-privé unique en son genre avec entre autres les gouvernements de l'Ontario et du Canada. Il facilite la recherche de pointe, forme la prochaine génération de pionniers de la science et communique le pouvoir de la physique grâce à des programmes primés d'éducation et de vulgarisation.
