Il y a près de cent ans, l’astronome Fritz Zwicky a remarqué un phénomène étrange : les galaxies dans les amas se déplacent plus vite que ne le permet la masse visible. Ainsi est né le mystère de la matière noire – une substance invisible qui maintient tout ensemble. Selon une hypothèse, il ne s’agit pas de particules en forme de boules, mais d’un champ quantique (un champ qui imprègne tout et possède des propriétés quantiques) de spin 1. Ce champ porte trois polarisations (directions d’oscillation), et les physiciens appellent parfois ces particules des « photons sombres ». Contrairement à d’autres modèles, par exemple avec les axions (particules hypothétiques sans spin), il y a ici trois « fils » qui oscillent indépendamment. La gravité force ces fils à s’enrouler en nœuds très denses – des étoiles de Proca (amas quantiques s’apparentant à un condensat, nommés d’après le physicien Alexandru Proca).

Pour comprendre comment les fils forment ces amas, les scientifiques ont réalisé une simulation numérique (des calculs sur supercalculateur). Ils ont résolu les équations que Erwin Schrödinger a jadis écrites, en suivant l’évolution des fils depuis les premiers instants de l’Univers. On pense que de tels champs apparaissent pendant l’inflation – une brève période d’expansion ultra-rapide juste après le Big Bang, une idée proposée par Alan Guth. La simulation a couvert un immense intervalle de temps : depuis l’époque où le décalage vers le rouge (une mesure de l’expansion de l’Univers) était d’environ 340 000, jusqu’à des valeurs autour de 800. Le principal résultat de la simulation est une simple loi de puissance : la masse de l’étoile de Proca centrale est proportionnelle à la masse du nuage environnant à la puissance 0,64. Autrement dit, plus le nuage est lourd, plus le nœud est lourd, mais pas de façon linéaire. Cet exposant est nettement plus élevé que dans les cas où il n’y a qu’un seul fil (champs scalaires). La différence trahit la nature triple du champ. La simulation a également montré comment ces fils tissent au fil du temps la structure à grande échelle de l’Univers – une toile d’amas et de vides.

La connaissance de cette règle permet de prédire la fréquence des collisions entre ces amas. Et ces collisions engendrent des ondes gravitationnelles – des vibrations de l’espace-temps que de futurs détecteurs pourront capter. Ainsi le triple fil, qui imprègne le cosmos depuis ses premiers instants, se tresse en étoiles invisibles. La compréhension de leur nature ne fait que commencer.