Une photo prise par le télescope spatial Hubble de NGC 1300. Cette galaxie spirale barrée est située à 69 millions d'années-lumière de nous en direction de la constellation de l'Éridan. Elle fait partie de ces galaxies possédant une grande barre centrale. Celle-ci contient une spirale de 3.300 années-lumière. © Wikipédia, DP

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Matière noire : une nouvelle preuve venue des galaxies spirales barrées

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Par Laurent Sacco, Futura

Le modèle de la matière noire est censé expliquer les caractéristiques des mouvements des étoiles et du gaz dans les galaxies et aussi dans les amas de galaxies. Des astrophysiciens espagnols viennent de lui faire passer victorieusement un test concernant les barres d'étoiles dans certaines galaxies spirales.

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. 

Voici quelques mois, Stacy McGaugh, de la Case Western Reserve University, en compagnie de ses collègues Federico Lelli et Jim Schombert, avait fait savoir que des travaux qu'ils avaient menés, notamment à partir de données prises par le télescope Spitzer, ne semblaient pas compatibles avec l'existence de la matière noire. Les mouvements du gaz interstellaire dans plus de 150 galaxies s'expliquaient bien au moyen de la théorie Mond, laquelle suppose des modifications des lois de la mécanique céleste de Newton.

Jetant un pavé dans la mare déjà trouble du problème de la nature exacte de la matière noire et de l'énergie noire dans le cadre du modèle standard et alimentant également le débat entre ceux qui préfèrent introduire une nouvelle physique de la gravitation et pas de nouvelles particules pour résoudre autrement les énigmes des mouvements des amas de galaxies et des étoiles dans les galaxies découvertes respectivement par Fritz Zwicky et Vera Rubin, des chercheurs viennent de déposer un article sur arXiv.

La matière noire devrait ralentir la rotation des barres d’étoiles

Il provient d'un groupe d'astrophysiciens espagnols de l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Selon des observations faites également avec Spitzer et concernant 68 galaxies spirales barrées, complétées par des simulations numériques, les auteurs pensent disposer maintenant d'une nouvelle preuve de l'existence de la matière noire. Répartie sous la forme d'un halo quasi sphérique autour des galaxies, il était prédit depuis un certain temps que son champ de gravitation devait ralentir la vitesse de rotation des barres d'étoiles dans les galaxies spirales. Malgré des doutes initiaux, ce serait effectivement bien le cas.

Mais pour comprendre de quoi il en retourne, commençons par faire quelques rappels sur les galaxies spirales barrées dont notre Voie lactée fait partie.

Large de 75.000 années-lumière, la galaxie spirale barrée NGC 1672 est située à environ 60 millions d’années-lumière de la Voie lactée. ©Nasa

Environ deux tiers des galaxies dans l'univers observable actuel seraient des galaxies spirales et près de 70 % d'entre elles possèdent une barre. Les théories expliquant la formation de ces structures, spirale et barre, sont assez subtiles. Les chercheurs pensent qu'une barre apparaît dans une spirale quand les orbites stellaires deviennent instables et acquièrent un mouvement plus éloigné de la forme circulaire. En fait, le gaz d'étoiles dans une galaxie est autogravitant et il peut être le siège d'ondes, comme dans un fluide, avec apparition de structures particulières, à l'image des vagues à la surface de l'eau. Techniquement parlant, les barres sont des ondes de densité qui peuvent se développer spontanément dans un disque galactique soumis à sa propre gravitation.

La matière noire allonge les barres d’étoiles

En fait, le champ de gravitation du halo de matière noire supposé exister autour des galaxies devrait avoir des effets importants sur ces barres, à tel point que les calculs laissent supposer depuis environ 20 ans que l'un d'entre eux constitue un véritable test de l'existence de ce halo.

Les étoiles dans la barre tournent généralement plus vite que celles des bras spiraux. Mais il devrait exister un cercle de rayon donné autour du centre des galaxies, appelé cercle de corotation, où les vitesses des étoiles sont les mêmes. D'après la théorie, en ralentissant le mouvement de rotation des barres, la gravitation du halo de matière noire devrait aussi faire augmenter le rayon du cercle de corotation. En pratique, ce rayon devrait être 1,4 fois supérieur à la longueur des barres. Or depuis une décennie, les observations montraient le contraire, ce qui mettait en difficulté le modèle de la matière noire.

En réalisant de nouvelles mesures, les chercheurs de l'IAC ont confirmé ce fait, mais la nouvelle méthode qu'ils ont utilisée leur a également permis de mesurer la vitesse de rotation des barres et surtout de la comparer à la vitesse de rotation du bord externe des disques des galaxies spirales. La valeur obtenue s'est avérée plus petite que ce que l'on pensait.

Une explication de ce phénomène, compatible avec l'existence de la matière noire, supposait que les barres devenaient plus longues avec le temps tout en ralentissant. Pour en avoir le cœur net, les astrophysiciens de l'IAC ont conduit des simulations numériques qui ont effectivement montré que c'est bien ce qui devrait se passer avec un halo de matière noire.

Si les chercheurs ont raison, le modèle cosmologique standard en sort renforcé.

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