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En vidéo : la matière noire, ça se complique !

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Les arguments en faveur de l'existence de la matière noire issus de l'étude des collisions d'amas de galaxies sont devenus très convaincants ces derniers temps. De nouvelles observations effectuées avec le télescope en rayons X, Chandra, sans remettre en cause l'existence de la matière noire, semblent difficilement réconciliables avec certaines des idées que les théoriciens ont à son sujet.

"L'amas de la boulette" avec en bleu la matière noire associée aux galaxies (Crédit : NASA).
En rose les rayons X du gaz chaud des amas, en bleu la matière noire détectée par les effets de lentilles gravitationnelles (Crédit : X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al.; Optical/Lensing: CFHT/UVic./A.Mahdavi et al.)). Les détails de la supperpositions des différentes images obtenues en optique, rayons X et enfin lentilles gravitationnelles.

Comme l'explique Andisheh Madhavi de l'University of Victoria (British Columbia) : "Les résultats de Chandra sont un défi pour notre compréhension des collisions d'amas de galaxies. Ils pourraient bien nous conduire à remettre en cause la nature de la matière noire elle-même".

Le ton est donné et il donne la mesure de la perplexité des astrophysiciens lorsqu'ils examinent les observations réalisées sur l'amas d'Abell 520, aussi bien en rayons X avec Chandra qu'en optique avec les télescopes Canada-France et Subaru au sommet du Mauna Kea à Hawaï.

Normalement, lors d'une collision entre amas de galaxies, les théories standard sur la matière noire impliquent que les zones riches en celle-ci doivent rester solidaires des galaxies. C'est bien ce qu'on observe dans le cas de « l’amas de la boulette » 1E 0657-56. En effet, les particules de matière noire ne sont pas sensées interagir entre elles autrement que par une attraction purement gravitationnelle. Il y a bien des modèles, basés sur les théories de Kaluza-Klein par exemple, qui permettent une faible auto-interaction, mais pas de l'ampleur de celle qu'il faudrait faire intervenir pour expliquer les résultats aujourd'hui publiés dans un article.

Dans le cas d'Abell 1E 0657-56 la matière noire en bleu reste centrée sur les galaxies (Crédit : NASA).

De façon surprenante, dans le cas d'Abell 520 (voir schéma ci-dessous), des concentrations importantes en matière noire se trouvent décalées par rapport aux galaxies détectables (3) et certains groupes ne possèdent pas de halos de matière noire (5).

Comme dans les études précédentes, la présence de matière noire, associée au champ de gravitation le plus important et donc à la concentration de masse dominante, se déduit des effets de lentilles gravitationnelles faibles modifiant la trajectoire des rayons lumineux. Le gaz chaud qui constitue l'essentiel de la matière normale rayonne lui en rayons X, sa présence est bien visible. Lors du choc entre deux amas les halos de gaz chauds subissent des forces de friction et de freinage en raison des interactions entre les particules. En conséquence, et puisque les galaxies ne sont, elles, pas freinées, ainsi que les halos de matière noire entourant ces dernières, une séparation nette se produit alors (1,2,4).

Comparaison entre l'amas d'Abell 520 en haut et celui du bullet cluster en bas.(Crédit : NASA/CXC/M.Weiss).

Ce n'est pas toujours le cas avec Abell 520. Clairement, quelque chose de fondamental nous échappe car l'on voit mal quels mécanismes pourraient avoir séparé les galaxies du halo de matière noire de leur amas, sauf peut-être en introduisant des termes de couplages entre les particules de matière noire.

Malheureusement, comme indiqué précédemment, les valeurs de ces termes sont fortement contraintes par d'autres mesures au niveau des galaxies et il ne semble pas y avoir de compatibilité entre les différentes observations. Le moins que l'on puisse dire est que nos conceptions sur la matière noire s'obscurcissent !

Pour cette raison, du temps d'observation avec les télescopes Hubble et Chandra a été spécialement réservé pour tenter d'éclaircir la situation. On devrait en savoir plus bientôt.

Simulation de la collision des amas de galaxies d'Abell 520