L'énigme de la matière noire et des galaxies naines est-elle enfin résolue ? Ici, la galaxie du Triangle, également appelée M33, est une galaxie située dans la constellation du Triangle. Elle est sans doute satellite de la galaxie d'Andromède ; sa distance à la Voie lactée est assez mal connue, de l'ordre de 2 à 3 millions d'années-lumière. Sa masse est évaluée à 60 milliards de masses solaires, dont près de 85 % serait sous forme de matière noire. On la voit ici observée dans l'ultraviolet par le satellite Galex. © Nasa

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L'énigme de la matière noire et des galaxies naines enfin résolue ?

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Selon le modèle de la matière noire froide, nous devrions observer de nombreuses galaxies naines près des grandes galaxies, or, il n'en est rien. Pourquoi ? L'une des hypothèses met en cause le rayonnement UV des quasars. C'est lui qui aurait stoppé la formation des étoiles dans les galaxies naines. De nouvelles observations vont dans ce sens.

Interview : quelles particules composent la matière noire ?  Selon les calculs et les observations, il existerait dans l'espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd'hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu'il nous en dise plus sur cette matière noire. 

Dans l'état actuel de nos connaissances — et compte tenu de l'âge de l'univers observable —, si le cosmos ne contenait que de la matière normale, les galaxies ne devraient pas encore exister. Pour expliquer leur existence, il faut invoquer la présence de grandes quantités de matière noire.

Cette matière noire en quantité était insensible au souffle des photons dans l'univers primordial et, donc, elle était capable de commencer à s'effondrer tôt et rapidement gravitationnellement sans que l'effet de ce souffle ne contrecarre l'effondrement (comme ce fut le cas avec la matière baryonique). De cette façon, les surdensités de matière noire sont en mesure de forcer la matière baryonique à s'effondrer plus vite après l'émission du fameux rayonnement fossile, qui a largement découplé la matière normale du rayonnement primitif.

Malheureusement, si les simulations numériques conduites avec des superordinateurs après cette période rendent bien compte des grandes structures observées aujourd'hui (structures qui rassemblent des galaxies et des amas de galaxies dans le cadre du modèle de la matière noire froide), elles conduisent à des prédictions à plus petites échelles qui ne sont pas vérifiées. On devrait ainsi observer un grand nombre de petites galaxies naines satellites des grandes galaxies comme celle d'Andromède et, bien sûr, la Voie lactée.

Dans cette simulation, on voit, à gauche, l'effet du rayonnement ultraviolet des jeunes étoiles et des quasars au début de l'histoire de l'univers, lors de la formation des galaxies. Cet effet est absent à droite et on voit que le gaz est moins diffus, formant plus de petites galaxies. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Durham University

Des galaxies naines pauvres en étoiles et, donc, difficiles à détecter

On peut, bien évidemment, tenter d'amender ce modèle, par exemple en invoquant de la nouvelle physique. Toutefois, les astrophysiciens et les cosmologistes cherchent aussi en direction de solutions plus conservatrices pour cette énigme qui concerne la matière noire et les galaxies naines. En effet, en général, les simulations réalisées ne tiennent compte que de la matière noire car cela représente, en soi, un défi pour la puissance de calcul des ordinateurs.

La formation des étoiles et des galaxies est un phénomène complexe. Il faut en effet tenir compte du rayonnement des étoiles, des explosions de supernovae, des trous noirs supermassifs avec leurs jets et leurs vents de matière, mais aussi du rayonnement émis lorsque ces trous noirs accrètent de grandes quantités de gaz en devenant des quasars.

Tous ces phénomènes peuvent chasser le gaz dans des galaxies en cours de formation, stoppant ainsi la naissance des étoiles. En conséquence, les galaxies naines pourraient bien être là mais elles seraient si pauvres en étoiles que nous aurions beaucoup de difficultés à les détecter.

Le rayonnement UV des quasars viderait les galaxies naines de leur gaz

Parmi les effets capables d'inhiber la formation des étoiles, il y a, plus particulièrement, celui lié au rayonnement ultraviolet (UV). Plusieurs simulations ont été faites ces dernières années pour mieux comprendre l'impact d'un fond de rayonnement UV sur la naissance des galaxies naines. Toutefois, les simulations ne sont que ce qu'elles sont : elles reposent sur des hypothèses qui peuvent très bien être fausses, c'est pourquoi il est important que les études réalisées avec simulations soient comparées aux observations et, même, qu'elles s'en nourrissent.

Ainsi, une équipe internationale d'astronomes, menée par des chercheurs de l'université de Durham (Royaume-Uni), a voulu mieux mesurer le fond de rayonnement UV, comme elle l'explique dans un article déposé sur arXiv et publié dans le célèbre journal MNRAS. Pour cela, elle a utilisé une nouvelle méthode de mesure avec l'instrument Multi Unit Spectroscopic Explorer (Muse), qui fonctionne sur le VLT de l'ESO, au Chili. Cette méthode devrait permettre, à l'avenir, de dresser une carte de l'évolution dans l'espace et dans le temps du fond UV afin de mieux comprendre comment il affecte la formation des galaxies naines.

Il devrait donc être possible de consolider l'hypothèse actuelle voulant que ce soit essentiellement le rayonnement UV des quasars (et, dans une moindre mesure, celui des jeunes étoiles massives dans les galaxies en formation) qui ait finalement soufflé le gaz contenu dans les galaxies naines, stoppant finalement la formation des étoiles et laissant celles déjà formées s'éteindre.

Pour en savoir plus

Le souffle des supernovae

Article de Laurent Sacco publié le 21/01/2010

Le modèle de la matière noire froide fonctionne très bien pour les structures à grandes échelles de l'univers mais nettement moins bien au niveau des galaxies naines. Une équipe internationale d'astrophysiciens vient de réconcilier les observations et les prédictions en faisant intervenir le souffle des supernovae.

Impossible de se passer de matière noire lorsqu'on cherche à comprendre l'origine des galaxies et comment se déroule une collision entre deux amas de galaxies. Toutefois, au niveau des galaxies individuelles, il n'est pas nécessaire de postuler une composante de matière invisible, formée de particules encore jamais vues en accélérateurs, pour rendre compte des vitesses anormalement élevées des étoiles dans les galaxies spirales. En effet, on peut introduire une modification à grande distance de la loi en 1/r2 pour la force de gravitation. C'est ce que fait la théorie Mond de Milgrom et ses variantes comme la théorie TeVeS de Bekenstein.

Le modèle de matière que l'on utilise pour décrire les galaxies est celui dit de la matière noire froide (Cold Dark Matter ou CDM en anglais) et il repose sur l'existence de particules massives et lentes, insensibles aux forces électromagnétiques et nucléaires fortes. Malheureusement, si les simulations numériques comme celle du Millénaire sont en très bon accord avec les observations en utilisant un modèle dit Lambda CDM, faisant intervenir une constante cosmologique Lambda, elles échouent face aux galaxies naines.

Le premier écueil se situe au niveau du nombre de galaxies naines. Beaucoup devrait s'être formées mais les observations indiquent un nombre faible, même si on commence à en découvrir de plus en plus, cachées par leur faible luminosité. Le second se trouve dans la structure des galaxies naines elles-mêmes.

Leo A est une galaxie naine irrégulière, membre de notre Groupe local et probablement satellite de la Voie lactée. © V. Vansevicius (IoP Lithuania), N. Arimoto (NAOJ) et al., Suprime-Cam, Subaru Telescope, NAOJ

De nouvelles simulations numériques

Alors qu'elles se présentent sous forme de disques sans bulbe central et avec une distribution presque constante de matière noire à l'intérieur, les modèles numériques s'obstinaient à prédire un bulbe central présentant un pic dans la densité de matière noire. Ces observations menaçaient donc de faire chanceler le modèle CDM, soit parce qu'il faudrait introduire de nouvelles particules de matière noire plutôt en rapport avec les modèles de matière noire dite « chaude », soit, peut-être en changeant la loi de la gravitation. Selon d'autres observations, en effet, on pouvait se demander si les galaxies naines ne désobeissaient pas à la loi de la gravitation de Newton.

Cette situation désagréable vient de changer grâce à de nouvelles simulations numériques faisant intervenir un phénomène jusque-là négligé : le souffle des explosions de supernovae.

Richard Bower, un cosmologiste de l'université de Durham (Royaume-Uni), Chris Brook, de l'University of Central Lancashire, et leurs collègues suisses, américains et canadiens ont effectué une simulation gourmande en temps de calcul à l'aide de 250 processeurs pendant environ deux mois. En variant les conditions initiales, ils ont cherché à voir ce que diraient les modèles de formation des galaxies naines si l'on tenait compte des flots de matière issus du milieu interstellaire éjectés par les explosions de supernovae. Dans ces galaxies, la force d'attraction est plus faible que dans des galaxies beaucoup plus massives et ce mécanisme peut donc y jouer un rôle important.

Remarquablement, l'éjection de la matière normale inhibe la concentration de la matière noire au centre des galaxies naines et par la même occasion défavorise la formation d'un bulbe central. L'accord obtenu entre théorie et observation est cette fois plutôt bon. Reste cependant à vérifier ce qui se passe dans les grandes galaxies. Pour le moment, cela n'est pas envisageable car il faudrait multiplier par 10 le temps de calcul, mais gageons que cela sera possible dans un avenir assez proche...

L'article exposant les travaux des chercheurs est publié dans Nature mais un préprint existe sur arXiv.