Mots-clés |
  • physique,
  • Astronomie,
  • relativité générale,
  • Galaxie,
  • voie lactée,
  • andromède,
  • galaxie naine,
  • cosmologie,
  • matière noire,
  • Mond,
  • nouvelle physique

Galaxies naines d'Andromède (3/3) : un test pour une nouvelle physique ?

Dans la dernière partie de notre enquête consacrée à la troublante découverte d’un disque de galaxies naines autour de la galaxie d’Andromède par les membres du Pan-Andromeda Archaeological Survey (Pandas), Benoît Famaey nous explique pourquoi elle pourrait bien être une fenêtre sur une nouvelle physique inscrite dans le cadre de la théorie proposée par Mordehai Milgrom : Mond. L’histoire de la Voie lactée et d’Andromède pourrait même être révisée.

Une vue inhabituelle de la galaxie d'Andromède. M31 est ici prise en photo par Galaxy Evolution Explorer, un observatoire astronomique spatial destiné à l'observation de galaxies dans l'ultraviolet. © Nasa Une vue inhabituelle de la galaxie d'Andromède. M31 est ici prise en photo par Galaxy Evolution Explorer, un observatoire astronomique spatial destiné à l'observation de galaxies dans l'ultraviolet. © Nasa

Galaxies naines d'Andromède (3/3) : un test pour une nouvelle physique ? - 5 Photos

PDF

On sait qu’il n’est quasiment pas possible d’expliquer les observations concernant les collisions entre amas de galaxies sans faire intervenir des particules de matière noire non baryonique. Cela semble même une impossibilité lorsque l’on considère le spectre de puissance du rayonnement fossile révélé par les observations de WMap.

Inversement, au niveau des galaxies, le modèle de la matière noire froide rencontre des difficultés et pose des énigmes dont il semble de plus en plus clair qu’elles se résolvent simplement et naturellement si on les considère dans le cadre de Mond.

Quelques membres du Pan-Andromeda Archaeological Survey (Pandas) lors d'une rencontre à Paris. La collaboration Pandas regroupe environ 25 chercheurs du Canada, de France, des États-Unis, d'Allemagne et d'Australie. © Pan-Andromeda Archaeological Survey
Quelques membres du Pan-Andromeda Archaeological Survey (Pandas) lors d'une rencontre à Paris. La collaboration Pandas regroupe environ 25 chercheurs du Canada, de France, des États-Unis, d'Allemagne et d'Australie. © Pan-Andromeda Archaeological Survey

Comme nous l'explique Benoît Famaey (qui twitte les articles scientifiques qu'il trouve intéressants sous le pseudo @darth_ben) dans la première partie de son interview, la découverte d'un disque de galaxies naines autour d'Andromède par les membres de la collaboration Pan-Andromeda Archaeological Survey (Pandas) peut effectivement contribuer à faire pencher la balance en faveur de la théorie proposée en 1983 par Mordehai Milgrom. Elle entre en effet en conflit avec le modèle de la matière noire froide, qui sert de base aux simulations de formation des grandes structures de l'univers observable comme celle de la Bolshoi Simulation.

Futura-Sciences : On sait que les collisions de galaxies sont fréquentes dans l’univers observable et qu’elles s’accompagnent de la formation de queues de marée constituées d’étoiles et de gaz arrachés aux galaxies en interaction, au sein desquelles peuvent se former de nouvelles galaxies par effondrement du gaz. Pourquoi ne peut-on pas éviter le conflit avec le modèle de la matière noire froide en expliquant les disques d'Andromède et de la Voie lactée par l’accrétion de ces galaxies créées dans les queues de marée qu’on appelle des galaxies naines de marée ?

Benoît Famaey : On touche ici le cœur du problème avec les disques de satellites. Il est vrai que la matière noire domine la matière baryonique dans une galaxie spirale si l’on considère le volume du halo dans lequel se trouvent la matière noire et le disque dans lequel est confinée la matière baryonique. Mais du fait de la taille du halo, la densité de matière noire est en fait très faible dans le disque d'une galaxie, où c’est finalement la matière normale qui domine.

Lorsque deux galaxies entrent en interaction et que des courants de marée se forment à partir des disques des deux galaxies progénitrices, les galaxies naines qui peuvent ultérieurement y apparaître dans une configuration anisotrope ne doivent donc pas être dans un grumeau de matière noire. On ne doit donc pas constater d’effets dus à la matière noire dans les naines de marée.

Sur cette image prise par Hubble, on voit NGC 4676 A (à droite) et B (à gauche), également appelée galaxies des Souris (Mice Galaxies, en anglais). Il s’agit de deux galaxies spirales situées dans la constellation de la Chevelure de Bérénice à environ 290 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Ces deux galaxies sont entrées en interaction. Notez la longueur d'une des queues de marée. Il est possible que ces deux galaxies soient déjà entrées en collision, et recommencent jusqu'à ce qu'elles fusionnent. © Nasa, Esa
Sur cette image prise par Hubble, on voit NGC 4676 A (à droite) et B (à gauche), également appelée galaxies des Souris (Mice Galaxies, en anglais). Il s’agit de deux galaxies spirales situées dans la constellation de la Chevelure de Bérénice à environ 290 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Ces deux galaxies sont entrées en interaction. Notez la longueur d'une des queues de marée. Il est possible que ces deux galaxies soient déjà entrées en collision, et recommencent jusqu'à ce qu'elles fusionnent. © Nasa, Esa

Ce n’est pas du tout ce qu’on observe avec les galaxies naines autour de la Voie lactée, et ce ne semble pas être le cas non plus avec celle autour d’Andromède, où tout se passe comme si elles contenaient beaucoup de matière noire. Ce qui s'explique naturellement avec Mond, étant donné la très faible accélération gravitationnelle à l'intérieur de ces petites galaxies.

En résumé, le modèle cosmologique standard fait deux prédictions en ce qui concerne les galaxies naines autour de grandes galaxies comme la Voie lactée et Andromède : elles sont très nombreuses et sont majoritairement distribuées d’une façon uniforme.

Les observations montrent qu’elles sont peu nombreuses et souvent rassemblées dans un disque. Cela se comprend bien si une grande partie d’entre elles ne se sont pas formées pendant les âges sombres, quand l’univers n’avait que quelques centaines de millions d’années, mais un peu plus tard, du fait des forces de marée entre les grandes galaxies en collisions.

Mais s’il s’agit bien de naines de marée, alors elles ne devraient pas contenir de matière noire, ce qui est en contradiction avec les observations.


  Cette vidéo montre le Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT) sur le Mauna Kea. C'est avec ses instruments que les membres de la collaboration Pan-Andromeda Archaeological Survey (Pandas) ont étudié la population de galaxies naines autour d'Andromède pendant des années. © Film de Jean-Charles Cuillandre ; musique (Halo) de Martin O'Donnell et Michael Salvatori ; images astronomiques du CFHT par Jean-Charles Cuillandre (CFHT) et Giovanni Anselmi (Coelum) ; technologie digitale (film) par Sidik Isani ; YouTube

Comment peut-on résoudre ces énigmes ? Faut-il postuler de la nouvelle physique comme celle que demande le cadre théorique posé par Milgrom avec Mond ?

Benoît Famaey : Il n’est peut-être pas impossible que la solution se trouve au niveau des simulations numériques tout à fait standard. On sait qu’elles ne prennent en général pas en compte, ou mal, les effets d’une rétroaction du comportement de la matière baryonique tombant dans les zones de surdensité de matière noire, lorsque les galaxies commençaient leur formation.

Il y a ainsi, par exemple, le souffle des explosions de supernovae et le rayonnement des quasars. Toutes choses qui, pendant la réionisation mettant un terme aux âges sombres, pouvaient influer sur la distribution de matière normale, et par exemple stopper la formation de certaines galaxies naines ou les rendre tellement pauvres en étoiles qu’elles seraient difficilement détectables aujourd’hui. Qui sait, des inhomogénéités dans ce processus de réionisation pourraient peut-être (si on est très optimiste) aboutir à certaines anisotropies telles qu'observées aujourd'hui pour les galaxies naines.

On pourrait aussi faire intervenir un mode de formation des galaxies (comme celle testée par les simulations sur l'un des plus gros ordinateurs du monde, MareNostrum, du Barcelona Supercomputing Center) qui fait la part belle non pas à des fusions entre galaxies, mais à des courants froids de matière baryonique. Ces filaments sont plus fins que ceux de matière noire, et on pourrait imaginer que les naines des disques observées y aient pris naissance. Ce qui expliquerait pourquoi leur distribution est franchement anisotrope, mais aboutirait au même problème que celui des naines de marée : elles seraient privées de matière noire.

Donc, dans presque tous les scénarios expliquant naturellement la distribution anisotrope, on a bien du mal à expliquer pourquoi les naines se comportent comme si elles contenaient beaucoup de matière noire, alors qu’elles ne devraient pas… sauf si l’on fait intervenir Mond.

Le physicien israélien Mordehai Milgrom a proposé au début des années 1980 un nouveau cadre pour la théorie de la gravitation. Il s'agissait d'expliquer les anomalies des mouvements des étoiles dans les galaxies sans postuler de nouvelles particules, donc en dehors du modèle de la matière noire froide. © Weizmann Institute of Science
Le physicien israélien Mordehai Milgrom a proposé au début des années 1980 un nouveau cadre pour la théorie de la gravitation. Il s'agissait d'expliquer les anomalies des mouvements des étoiles dans les galaxies sans postuler de nouvelles particules, donc en dehors du modèle de la matière noire froide. © Weizmann Institute of Science

À vous entendre, il semblerait que si les collisions entre amas de galaxies requièrent la présence de matière noire et de ne pas modifier les lois de la gravitation, c’est à la conclusion inverse à laquelle on est amenée lorsque l’on considère les disques de galaxie naines.

Benoît Famaey : On a effectivement l’impression que si la matière noire est une nécessité pour rendre compte des observations avec le rayonnement fossile et les collisions d’amas de galaxies, le cadre théorique de Mond devient particulièrement attractif lorsque l’on considère les galaxies.

Ce n’est pas forcément un paradoxe : Mond dérive peut-être du comportement encore mal compris du fluide composant la matière noire, comme le propose Luc Blanchet. On éviterait alors le conflit avec les observations concernant le rayonnement fossile. On ne sait pas encore non plus quelle est la bonne formulation relativiste de Mond. Milgrom explore ainsi depuis quelque temps une théorie baptisée Bimond. Elle pourrait être compatible, elle aussi, avec les observations concernant le fond diffus cosmologique.

Il existe en fait un scénario très séduisant, bien que très spéculatif, qui fait intervenir Mond : une collision dans le passé entre Andromède et une autre galaxie, qui pourrait expliquer qualitativement ce qu’on observe avec les disques de naines d’Andromède et de notre Galaxie.

François Hammer et ses collègues ont montré, avec des simulations conduites dans un cadre standard, qu’il était possible de rendre compte de diverses structures associées à Andromède si l’on supposait qu’elle était entrée en collision, suivie d’une fusion, avec une autre galaxie, voilà neuf à dix milliards d’années. En bonus, ces simulations ont montré qu’il était possible aussi de rendre compte qualitativement de la distribution des galaxies naines de la Voie lactée en reliant leur formation à cette ancienne collision, accréditant le statut de naines de marée pour ces galaxies.

Françoise Combes est une astrophysicienne dont les recherches portent sur la formation et l’évolution des galaxies. Elle est membre de l’Académie des sciences depuis 2004. © Observatoire de Paris
Françoise Combes est une astrophysicienne dont les recherches portent sur la formation et l’évolution des galaxies. Elle est membre de l’Académie des sciences depuis 2004. © Observatoire de Paris

De façon intéressante, Françoise Combes et son équipe ont fait des simulations de collisions de deux galaxies avec Mond. Plutôt que de fusionner immédiatement, comme on l’observe dans le cadre de la physique standard, les deux galaxies oscillent l'une autour de l'autre.

Si l’on met tous ces éléments bout à bout, on se rend compte que la galaxie, qui est peut-être entrée en interaction avec Andromède dans le passé, pourrait bien être notre Voie lactée. Leur rencontre qui est prévue dans quelques milliards d’années ne serait donc pas la première.

De plus, Mond et cette rencontre passée expliqueraient naturellement la géométrie particulière du disque de galaxies satellites autour d'Andromède, disque qui est dirigé vers la Voie lactée et a un sens de rotation similaire à celui du disque de satellites de la Voie lactée. Il s'agit évidemment d'un scénario extrêmement spéculatif, mais pas tellement plus que les scénarios évoqués plus haut dans le cadre du modèle standard.

Il y a toutefois une petite difficulté avec ce scénario. Il nécessiterait sans doute que l’âge de l’univers soit un peu plus grand que celui déduit des observations actuelles. Attention, il ne s’agit pas du tout d’un conflit potentiel avec la théorie du Big Bang. Les succès du modèle standard à grande échelle sont en effet tels (il y a de nombreuses preuves de la théorie du Big Bang, notamment grâce aux observations du rayonnement fossile et de l’évolution chimique des galaxies dans le temps) qu'il est inenvisageable de jeter le bébé avec l'eau du bain: toute théorie incorporant Mond à l'échelle des galaxies ne pourra pas ignorer ces nombreux succès du modèle cosmologique standard. Mais peut-être n’est-il pas exclu qu’un modèle cosmologique relativiste respectant le cadre de Mond implique naturellement de légères modifications du modèle standard conduisant à un allongement mineur de l’âge de l’univers observable.


A voir aussi sur Internet

Sur le même sujet

Vos réactions

Chargement des commentaires