Dark matter does not defy gravity
A team led by UNIGE shows that the most mysterious component of our Universe obeys the laws of classical physics. But doubts remain.
Does dark matter follow the same laws as ordinary matter? The mystery of this invisible and hypothetical component of our Universe — which neither emits nor reflects light — remains unsolved. A team involving members from the University of Geneva (UNIGE) set out to determine whether, on a cosmological scale, this matter behaves like ordinary matter or whether other forces come into play. Their findings, published in Nature Communications, suggest a similar behaviour, while leaving open the possibility of an as-yet-unknown interaction. This breakthrough sheds a little more light on the properties of this elusive matter, which is five times more abundant than ordinary matter.
Ordinary matter obeys four well-identified forces: gravity, electromagnetism, and the strong and weak forces at the atomic level. But what about dark matter? Invisible and elusive, it could be subject to the same laws or governed by a fifth, as yet unknown force.
Dark matter falls into gravitational wells in the same way as ordinary matter, thus obeying Euler's equations.
To unravel this mystery, a team led by UNIGE set out to determine whether, on a cosmic scale, dark matter falls into gravitational wells in the same way as ordinary matter. Under the influence of massive celestial bodies, the space occupied by our Universe is distorted, creating wells. Ordinary matter — planets, stars and galaxies — falls into these wells according to well-established physical laws, including Einstein's theory of general relativity and Euler's equations. But what about dark matter?
“To answer this question, we compared the velocities of galaxies across the Universe with the depth of gravitational wells,” explains Camille Bonvin, associate professor in the Department of Theoretical Physics at UNIGE’s Faculty of Science and co-author of the study. “If dark matter is not subject to a fifth force, then galaxies — which are mostly made of dark matter — will fall into these wells like ordinary matter, governed solely by gravity. On the other hand, if a fifth force acts on dark matter, it will influence the motion of galaxies, which would then fall into the wells differently. By comparing the depth of the wells with the galaxies’ velocities, we can therefore test for the presence of such a force.”
Euler's equations still valid
Applying this approach to current cosmological data, the research team concluded that dark matter falls into gravitational wells in the same way as ordinary matter, thus obeying Euler's equations. “At this stage, however, these conclusions do not yet rule out the presence of an unknown force. But if such a fifth force exists, it cannot exceed 7% of the strength of gravity — otherwise it would already have appeared in our analyses,” says Nastassia Grimm first author of the study and former postdoctoral researcher at the Department of Theoretical Physics at UNIGE’s Faculty of Science who has recently joined the Institute of Cosmology and Gravitation at the University of Portsmouth.
These initial results mark a major step forward in characterising dark matter. The next challenge will be to determine whether a fifth force governs it. “Upcoming data from the newest experiments, such as LSST and DESI, will be sensitive to forces as weak as 2% of gravity.
They should therefore allow us to learn even more about the behaviour of dark matter, concludes Isaac Tutusaus, researcher at ICE-CSIC and IEEC and associate professor at IRAP, Midi-Pyrénées observatory, University of Toulouse, co-author of the study.
Une équipe conduite par l’UNIGE montre que le composant le plus mystérieux de notre Univers obéirait aux lois de la physique classique. Mais un doute subsiste.
La matière noire suit-elle les mêmes lois que la matière ordinaire? Le mystère reste entier au sujet de ce composant invisible et hypothétique de notre Univers, qui n’émet ni ne réfléchit la lumière. Une équipe de recherche conduite par l’Université de Genève (UNIGE) a voulu savoir si, à l’échelle cosmologique, cette matière tombait de la même façon que la matière ordinaire ou si d’autres forces entraient en jeu. Ses résultats, publiés dans Nature Communications, suggèrent un comportement similaire, tout en laissant ouverte la possibilité d’une interaction encore inconnue. Cette avancée éclaire un peu mieux les propriétés de cette matière insaisissable, cinq fois plus abondante que la matière ordinaire.
La matière ordinaire obéit à quatre forces bien connues: la gravitation, l’électromagnétisme, la force forte et la force faible, les deux dernières agissant à l’échelle atomique. Mais qu’en est-il de la matière noire? Invisible et insaisissable, elle pourrait être soumise aux mêmes lois ou relever d’une cinquième force, encore inconnue.
La matière noire tombe dans les puits gravitationnels de la même manière que la matière ordinaire. Elle répond ainsi aux équations d’Euler.
Pour percer ce mystère, une équipe conduite par l’UNIGE s’est demandé si, à l’échelle du cosmos, cette matière «tombait» de la même manière que la matière ordinaire dans les puits gravitationnels. Sous l’influence de la gravitation des corps célestes, l’espace occupé par notre Univers se déforme, générant des «puits». La matière ordinaire – ici les planètes, les étoiles ou les galaxies – y tombe selon des lois physiques bien connues, comme la fameuse théorie de la relativité générale d’Einstein ou les équations d’Euler. Mais quid de la matière noire?
«Pour répondre à cette question, nous avons comparé les vitesses auxquelles les galaxies bougent dans l’Univers avec la profondeur des puits gravitationnels», explique Camille Bonvin, professeure associée au Département de physique théorique de la Faculté des sciences de l’UNIGE, co-auteure de l’étude. «Si la matière noire n’est pas sujette à une cinquième force, alors les galaxies – qui sont majoritairement faites de matière noire – vont tomber dans les puits comme de la matière ordinaire, uniquement soumise à la gravitation. En revanche, s’il existe une cinquième force agissant sur la matière noire, elle va influencer le mouvement des galaxies, qui du coup vont tomber dans les puits de manière différente. En comparant la profondeur des puits avec la vitesse des galaxies, on peut donc tester la présence d’une telle force».
Les équations d’Euler encore valides
En appliquant cette approche aux données cosmologiques actuelles, l’équipe de recherche est arrivée à la conclusion que la matière noire tombe dans les puits gravitationnels de la même manière que la matière ordinaire. Et qu’elle répond ainsi aux équations d’Euler.
«À ce stade, ces conclusions ne nous permettent toutefois pas d’exclure la présence d’une force inconnue. Mais si cette cinquième force existe, elle ne peut pas être plus grande que 7 % de la force de la gravitation, auquel cas elle serait apparue dans nos analyses», indique Nastassia Grimm, première auteure de l’étude et ancienne chercheuse postdoctorante au Département de physique théorique de la Faculté des sciences de l’UNIGE, qui a récemment rejoint l’Institut de cosmologie et de gravitation de l’Université de Portsmouth.
Ces premiers résultats marquent une avancée majeure dans la caractérisation de la mystérieuse matière noire. La prochaine étape consistera à préciser l’existence, ou non, d’une cinquième force la régissant. «Les futures données issues des expériences les plus récentes, telles que LSST et DESI, seront sensibles à une force aussi petite que 2 % de la gravitation. Elles devraient donc nous permettre d’en apprendre encore davantage sur le comportement de la matière noire», conclut Isaac Tutusaus, chercheur à l’ICE-CSIC et à l’IEEC, professeur associé à l’IRAP, Observatoire Midi-Pyrénées, Université de Toulouse, coauteur de l’étude.