De nouvelles observations obtenues au VLT de l'ESO, au Chili, suggèrent une étrange curiosité de la matière noire froide : dans les galaxies, elle aurait été en quantité nettement plus faible il y a 10 milliards d'années.

Le modèle de la matière noirematière noire froide est solidement soutenu par les observations du rayonnement fossilerayonnement fossile du satellite Planck, lesquelles sont de plus en concordance avec d'autres estimations obtenues indépendamment. Les simulations numériquessimulations numériques reproduisent bien, elles aussi, l'apparition et l'évolution des grandes structures composées d'amas de galaxiesamas de galaxies dans l'universunivers observable. Pourtant, à plus petites échelles, les choses ne sont pas si simples.

On devrait par exemple observer un grand nombre de petites galaxies nainesgalaxies naines en orbiteorbite autour des grandes. Ce n'est pas le cas. Les caractéristiques propres de ces grandes galaxiesgalaxies se comprennent aussi bien, et même mieux, en invoquant des modifications des lois de la gravitationgravitation de NewtonNewton dans le cadre de la théorie Mondthéorie Mond. Enfin, que ce soit avec les accélérateurs de particules ou des détecteurs enterrés épiant le contenu des rayons cosmiques les plus pénétrants, aucune particule de matière noire n'a été découverte à ce jour.

À l'échelle des galaxies, les déficiences du modèle avec matière noire froide pourraient en fait provenir de la difficulté à simuler précisément le comportement de la matière baryonique et ses interactions avec la matière noire, un travail particulièrement gourmand en puissance de calcul.

C'est à cette échelle que des astronomesastronomes de l'ESOESO viennent de faire une découverte troublante. Cette équipe a utilisé les instruments KMOS et Sinfoni installés sur le VLTVLT (Very Large Telescope) et leurs résultats viennent d'être diffusés en une série d'articles, dont l'un a été publié dans Nature et se trouve en accès libre sur arXiv.


Comparaison de disques galactiques en rotation de l’Univers lointain et de l’Univers local. La galaxie imaginaire (à gauche) fait partie de l’Univers local : les étoiles peuplant les régions périphériques sont animées de vitesses de rotation élevées, en raison de la présence de vastes quantités de matière noire (en rouge) autour des régions centrales. La galaxie (à droite) fait partie de l’Univers lointain. Elle est observée telle qu’elle était voici 10 milliards d’années : ses régions périphériques sont animées d’une vitesse de rotation plus lente, la matière noire étant distribuée de manière plus diffuse. Cette vue schématique n’est pas à l’échelle. Les différences sont exagérées afin de mettre en relief l’effet recherché. © European Southern Observatory (ESO)

De galaxies constituées pour moitié de matière noire

Les chercheurs ont mesuré les vitessesvitesses de la matière normale dans plusieurs grandes galaxies spiralesgalaxies spirales observées telles qu'elles étaient il y a 10 milliards d'années. Il s'agissait de dresser l'équivalent des célèbres courbes de vitesse de rotation de Vera Rubin. L'astrophysicienne avait découvert que les étoilesétoiles en bordure des disques galactiques tournaient trop vite. Cette anomalieanomalie semblait indiquer la présence d'une composante cachée de massemasse, bien supérieure à celle déduite des étoiles observées, sans qu'elle soit non plus explicable par des particules de matière normale sous forme de gazgaz froid et sombre. Plus précisément, alors que les vitesses des étoiles auraient dû diminuer à partir d'une certaine distance des régions centrales des galaxies spirales, elles se maintenaient constantes.

Or, justement, dans le cas de six galaxies spirales observées par les chercheurs de l'ESO, les courbes de vitesses observées semblent effectivement indiquer une chute des vitesses, ce qui signifierait qu'elles contenaient beaucoup moins de matière noire que de nos jours. Un échantillon de six galaxies peut sembler statistiquement trop faible pour conclure mais les astrophysiciensastrophysiciens ont également mesuré de courbes de vitesses, bien que moins précises, sur une centaine de disques galactiques à des distances comparables, et la moyenne obtenue suggère la même conclusion. On estime ainsi qu'il y a 10 milliards d'années, la matière ordinaire constituait environ la moitié de la masse d'une galaxie spirale alors qu'elle serait de l'ordre du dixième actuellement. Plus loin dans le passé, la matière normale semble dominer largement le comportement des galaxies spirales.

Comment expliquer ces observations ?

Il semble que la matière noire à l'échelle des galaxies, et c'est un point important, se soit effondrée gravitationnellement moins vite que ce que l'on pensait. En tout cas, dans le cadre du modèle de la matière noire froide, c'est elle qui s'est effondrée gravitationnellement la première, en donnant des surdensités qui allaient par la suite accélérer l'effondrementeffondrement de la matière normale. Ce sont donc les ébauches des grandes structures rassemblant les futurs amas de galaxies qui se sont formées en premier. Les observations ont en effet invalider l'hypothèse inverse, qui fait d'abord apparaître les galaxies, lesquelles se seraient ensuite rassemblées en amas de galaxies qui, eux, se seraient finalement organisés en filaments. Ce scénario correspond aux prédictions du modèle de la matière noire chaude (la matière noire est dite froide si elle est composée de particules massives lentes et elle est dite chaude si elles sont légères et, surtout, rapides). On a parfois d'ailleurs postulé une petite composante de matière noire chaude pour expliquer le déficit en galaxies naines satellites des grandes.

Au final, il semble donc que les halos de matière noire entourant les galaxies spirales il y a 10 milliards d'années étaient moins denses qu'aujourd'hui et que leur effondrement gravitationnel se soit poursuivi durant des milliards d'années. Cela peut vouloir dire qu'il faut considérer certaines classes particulières de théories de la matière noire.

On sait aussi que les galaxies de cette époque sont très turbulentes, avec des flambées de nouvelles étoiles, des supernovaesupernovae, des ventsvents puissants émis par des trous noirs supermassifs avec des disques d'accrétiondisques d'accrétion. Les halos de matière noire eux-mêmes devaient probablement jouer un rôle en canalisant d'importants courants de matière normale aidant à la croissance des galaxies et des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs. Il se peut que des interactions et rétroactionsrétroactions complexes entre tous ces phénomènes, et pas uniquement des propriétés bien particulières de la matière noire, soient la clé de ces observations au niveau des galaxies.

Nouvelle physiquephysique ou physique standard ? Telle est sans doute la question et l'enjeu.