À l’intérieur du supercalculateur, quinze amas d’ondes stables — des solitons — entrent en collision pour former un halo de matière noire. Ces ondes obéissent à l’équation que Erwin Schrödinger a dérivée au début du XXe siècle pour les électrons, mais aujourd’hui elles dessinent le portrait d’un cocon galactique géant. Le modèle Fuzzy Dark Matter (matière noire composée de bosons-ondes ultralégers) postule que la substance invisible ne se comporte pas comme un essaim de particules, mais comme un champ, et ce champ interfère avec lui-même, telle une ondulation à la surface de la mer. Chaque onde d’interférence est une superposition quantique d’innombrables bosons, engendrant des grumeaux et des raréfactions de densité à grain fin (granularité). Les astrophysiciens se demandent depuis longtemps : le gaz ordinaire, qui baigne dans le même halo, ressent-il ces rides rapides ? Ou oscille-t-il seulement sous l’effet de la houle lente et moyennée de la gravité ?
Pour le savoir, le code CAFE-FDM est entré en scène : il résout le système complet où la gravité est décrite par l’équation de Poisson, le champ quantique par l’équation de Schrödinger et le gaz par les équations d’Euler. Le gaz a été modélisé dans une large gamme de températures — depuis près du zéro absolu jusqu’à mille degrés — et l’on a laissé l’ensemble « refroidir » après sa naissance turbulente, jusqu’à atteindre la virialisation (équilibre après contraction). Puis, telle une guirlande de capteurs, 16 lignes virtuelles ont traversé le volume de calcul, enregistrant les fluctuations de densité de la matière noire et du gaz au fil du temps. Ces séries temporelles ont été analysées avec les outils de l’analyse spectrale : on a calculé l’autocorrélation — mesure de la similarité d’un signal avec lui-même — et la corrélation croisée entre les composantes.
Les résultats ont révélé une hiérarchie nette. Les oscillations du FDM s’amortissaient rapidement, comme les ronds dans l’eau après le jet d’une pierre ; le gaz, au contraire, se souvenait de ses mouvements dix fois plus longtemps, telle une houle profonde balançant un grand navire. Mais le portrait de corrélation croisée s’est avéré le plus éloquent : la connexion mutuelle entre les rides et la houle était quasiment absente. Dès que le système se stabilisait, la composante gazeuse cessait de suivre les menues trémulations de la matière noire. En d’autres termes, le gaz baryonique ne réagit qu’au gradient global du potentiel gravitationnel — à la « montagne » de densité lissée, et non à son microrelief. Cette conclusion vaut pour toutes les températures testées.
Pour les chasseurs de matière noire, ce message a un goût aigre-doux. D’un côté, l’espoir de discerner directement les rides quantiques dans le mouvement des étoiles ou du gaz s’estompe : la nature a mis en place un filtre passe-bas efficace. De l’autre, la hiérarchie temporelle découverte devient elle-même une lame diagnostique subtile. Les simulations futures incluant des champs magnétiques, le refroidissement du gaz et la formation d’étoiles pourraient changer le tableau ; peut-être que des accumulations séculaires d’effets sur des milliards d’années laisseront une empreinte. Aux abords du noyau central de condensat de Bose-Einstein – l’amas le plus dense – les fluctuations pourraient être plus fortes, ce qui reste à étudier.
L’océan de matière noire continue de cacher sa nature. Les rides à sa surface sont trop vives pour les eaux lourdes du gaz, et nous n’apercevons que la houle paresseuse. Mais cet océan emplit toute la galaxie et, en apprenant à lire les rythmes de la houle, les astrophysiciens pourront peut-être reconstituer le portrait des ondes invisibles à partir de leur murmure persistant.
En unités sans dimension, le temps de corrélation typique du FDM n’est que de quelques pas de simulation, mais lorsqu’on le transpose à une galaxie réelle de masse $10^{10}$ solaire, il devient des dizaines de millions d’années. Pourtant, à l’échelle cosmique, c’est un éclair.