Un exemple de galaxie ultradiffuse, Dragonfly 44, observée dans l’Amas de Coma. © Pieter van Dokkum, Roberto Abraham, Jean Brodie

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La curieuse galaxie gorgée de matière noire

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En 2017, les astrophysiciens sont toujours en quête de la nature de la matière noire, comme l'illustre la récente détection au cœur d'Andromède. En 2016, l'observatoire des Canaries débusquait une galaxie « ultradiffuse », VCC 1287, contenant, en proportion, 200 fois plus de matière noire que la Voie lactée. De quoi revoir l'histoire de ces curieuses galaxies.

Article paru le 27 mars 2016

Sans doute, beaucoup de physiciens des hautes énergies et d'astrophysiciens spécialistes des astroparticules s'attendaient à ce que la nature de la matière noire soit déterminée pendant la première décennie du XXIe siècle. Que ce soit avec les détecteurs du LHC ou avec AMS, il n'en a rien été. Parallèlement, la théorie Mond, une alternative crédible à la matière noire, a marqué des points au niveau des galaxies, même si elle continue à ne pas sembler compatible avec les observations concernant le rayonnement fossile.

La traque continue et tout récemment, l'hypothèse qu'elle soit constituée, au moins partiellement, de trous noirs primordiaux, a refait surface avec la découverte des trous noirs binaires par les membres de la collaboration Ligo. Des détecteurs enterrés ont aussi été upgradés comme le montre l'exemple de Xenon 1T. On affine aussi les modèles de la naissance des structures galactiques en tenant compte de la relativité en espérant poser de nouvelles contraintes sur la nature de la matière noire.

Les astrophysiciens ont récemment mis en évidence des galaxies de la taille de la Voie lactée mais contenant nettement moins d'étoiles car leur luminosité est comparable à celle des galaxies naines. Elles ont été appelées des galaxies ultra-diffuses, ou UDG en anglais, par l'astronome Pieter van Dokkum de l'université de Yale.

Une vidéo de présentation du GTC. C’est actuellement le plus grand télescope du monde. © Gianluca Lombardi, YouTube

Elles sont probablement assez nombreuses dans l'univers observable car ne serait-ce que dans l'amas de la Chevelure de Bérénice ou Amas de Coma, parmi un vaste groupe qui contient plus de 1.000 galaxies, des centaines ont été mises en évidence à l'aide du télescope Subaru à Hawaï. Les astronomes en avaient déduit que pour résister aux forces de marée gravitationnelles des autres grandes galaxies, les UDG devaient contenir des quantités importantes de matière noire, jusqu'à en être constituées à au moins 98 %.

Une galaxie de la taille de la Voie lactée avec 99,96 % de matière noire

L'astronome Michael Beasley a voulu en avoir le cœur net et avec ses collègues, il a utilisé le Gran Tecan (pour Gran Telescopio Canarias), ou GTC, qui fait partie de l'observatoire del Roque de los Muchachos. Il est situé à 2.400 mètres d'altitude, sur l'île de La Palma aux Canaries.

Le GTC a permis d'examiner de plus près une UDG dans l'amas de la Vierge : VCC 1287. Comme ils l'expliquent dans un article sur arXiv, la méthode que les chercheurs ont utilisée pour déterminer la masse de la galaxie a consisté à déterminer les mouvements de 7 amas globulaires en orbite autour de l'UDG. Les calculs ont montré qu'elle contient au total 80 milliards de masses solaires. Avec sa taille semblable à celle de notre Voie lactée, elle doit donc abriter 3.000 fois plus de masse sous forme de matière noire que sous forme d'étoiles, alors que ce rapport est de 15 dans la Voie lactée.

Comment un tel objet a-t-il pu se former ? Peut-être qu'au début de son histoire, qui aurait commencé comme celle d'une galaxie normale, sa capture puis sa chute dans l'amas de la Vierge l'aurait conduite à être dépouillée de son gaz par les autres galaxies. Il ne serait plus resté que la matière noire et un taux de formation de nouvelles étoiles très bas à cause de sa pauvreté en baryons.

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.