Une lumière diffuse est mise en évidence sur cette image de l'amas de galaxies MACS J0416.1-2403. Il s'agit de la lumière intra-amas produite par les étoiles arrachées des galaxies par les forces de marée. © Nasa, ESA, and M. Montes (University of New South Wales)

Sciences

Hubble fournit de nouvelles cartes 3D de la matière noire de l'univers

ActualitéClassé sous :Astronomie , Hubble , matière noire

Les astrophysiciens dressent des cartes de la répartition de la matière noire depuis plus d'une décennie pour tenter d'en percer les secrets. Une nouvelle méthode s'est révélée prometteuse avec des amas de galaxies observés par Hubble.

Il y a plus de 10 ans, plusieurs preuves de l'existence de la matière noire ont rapidement émergé, sans pour autant clore définitivement le débat à son sujet. En particulier, pendant l'été 2006, on se souvient de l'annonce tonitruante concernant les observations, dans le domaine des rayons X et à l'aide de l'effet de lentille gravitationnelle, de la collision d'amas galactiques derrière ce qui semblait être un seul objet, l'amas de la Balle (Bullet cluster en anglais), aussi appelé 1E 0657-56 et qui se trouve dans la constellation australe de la Carène.

Initialement, ces observations semblaient réfuter définitivement la théorie Mond, déjà utilisée pour rendre compte des mouvements anormaux des étoiles dans les galaxies. Plutôt que de postuler l'existence de nouvelles particules sans couplage au champ électromagnétique et donc, nécessairement incapable de rayonner, certains chercheurs préféraient en effet modifier les lois de Newton de la mécanique céleste à l'échelle des mouvements des étoiles dans les galaxies d'abord, avec les amas galactiques ensuite.

S'il reste impossible de se passer de l'hypothèse de l'existence des particules de matière noire pour faire naître les galaxies et rendre compte des observations concernant le rayonnement fossile faites par Planck, cela n'est, en revanche, pas impossible en ce qui concerne les caractéristiques des amas de galaxies. Mieux : au cours de la dernière décennie, la théorie Mond a très bien rendu compte des mesures faites concernant les étoiles dans les galaxies et, en particulier, celles concernant les galaxies naines en orbite autour des grandes galaxies que sont la Voie lactée et Andromède.

En traitant les images prises dans l'infrarouge proche par le télescope Hubble et concernant l'amas de galaxies MACS J0416.1–2403, il est possible de révéler la lumière diffuse intra-amas produite par les étoiles entre les galaxies. La répartition de cette lumière trace la répartition de la matière noire, tout comme les effets de lentille gravitationnelle visibles sur cette image sous forme d'arcs. © ESA/Hubble, Nasa, HST Frontier Fields team (STScI), and M. Montes & I. Trujillo

La lumière diffuse intra-amas trace indirectement la matière noire

Une nouvelle technique d'observation et une nouvelle pièce au débat entre tenants de l'existence de la matière noire et partisans de la théorie Mond viennent d'être apportées par les astrophysiciens Mireia Montes, de l'université de New South Wales à Sydney, en Australie, et Ignacio Trujillo de l'Institut d'astronomie des îles Canaries à Tenerife, en Espagne.

Publiés dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et disponibles en accès libre sur arXiv, leurs travaux montrent que certaines informations sur la répartition de la matière noire entre les galaxies dans un amas peuvent être acquises en étudiant le rayonnement X et l'effet de lentille gravitationnelle, lesquels sont sensibles à la répartition des masses de matière, noire ou ordinaire, via le champ de gravitation qu'elles génèrent. Les deux chercheurs viennent de montrer que la répartition de la matière pouvait être aussi cartographiée, en particulier la matière noire dans au moins six amas de galaxie, ceci en étudiant la lumière diffuse intra-amas (intracluster light ou ICL en anglais).

L'ILC n'a rien de mystérieux, il s'agit de la lumière produite par les étoiles, lorsqu'elles ont été arrachées de leurs galaxies hôtes par les forces de marée au cours d'interactions. Tout comme les étoiles sondent le champ de gravitation dans la Voie lactée, ces étoiles se répartissent en fonction de celui-ci dans un amas et vont donc se concentrer là où il y a plus de matière noire.

Montes et Trujillo ont constaté que la répartition de la matière noire, supposée d'après les observations du télescope Hubble, était en accord avec celle déduite des rayons X et surtout, de l'effet de lentille gravitationnelle. Sauf qu'il est bien plus facile et rapide d'utiliser les observations en imagerie dans l'infrarouge proche avec Hubble que celles qui demandent de faire de la spectroscopie, aussi bien avec les rayons X que dans la détermination de l'effet de lentille gravitationnelle. En outre, on peut atteindre une précision supérieure dans la détermination de la carte de la répartition de la matière noire.

La méthode est prometteuse, non seulement parce qu'elle permet d'aller plus loin en ce qui concerne les amas de galaxies mais aussi, parce que l'on peut, en théorie, l'utiliser avec les étoiles qui se trouvent dans le halo des galaxies individuelles. Cela reste à vérifier mais il devrait être possible de sonder la distribution de matière noire, avec une résolution supérieure. 

Ce qui est certain est que l'arrivée prochaine du télescope James Webb devrait permettre de cartographier la répartition de la matière noire dans des amas de galaxies encore plus lointains et donc, de voir ce qu'il s'y passait tôt dans l'histoire de l'Univers observable. Cette répartition devrait évoluer avec le temps et en accord avec les modèles de matière noire utilisés. Espérons tout de même que d'ici là, une détection directe des particules de matière noire aura été réalisée sur Terre avec des détecteurs en laboratoire.

Une comparaison des cartes de la densité de matière noire (dark matter) établies en étudiant l'effet et la lumière diffuse intra-amas dans six amas observés avec Hubble. © IACvideos

  • On pense que les amas de galaxies sont plongés dans de la matière noire, laquelle produit des effets de lentille gravitationnelle et explique les caractéristiques du rayonnement X émis par le gaz chaud inter-amas.
  • L'étude de la répartition de la matière noire dans ces amas est possible grâce à ces phénomènes mais elle reste difficile et insuffisamment précise pour révéler la nature de la matière noire.
  • Cette répartition peut être cartographiée en étudiant aussi la lumière diffuse émise par les étoiles entre les galaxies. Ces étoiles ont été arrachées par les forces de marée au cours des collisions entre galaxies dans les amas. Leur répartition et donc l'intensité de la lumière émise, est fonction des concentrations de matière noire entre les galaxies attirant ces étoiles.
  • La méthode est prometteuse comme le montrent les observations conduites dans l'infrarouge proche à l'aide d'images prises par Hubble.
Pour en savoir plus

En vidéo : première carte 3D de la matière noire de l'Univers !

Article de Laurent Sacco publié le 08/01/2007

La distribution de la matière noire en 3D à l'échelle des amas de galaxies vient d'être cartographiée par une équipe internationale d'astronomes, un exploit accompli une fois de plus grâce au télescope Hubble !

Rappelons que la matière noire est une forme exotique et invisible de matière invoquée pour expliquer le comportement des galaxies et des amas de galaxies. Près de 5 fois plus abondante que la matière 'normale', elle jouerait aussi un rôle fondamental dans l'apparition des galaxies, la formation et l'évolution des structures à grandes échelles formées de ces dernières.

Une preuve indirecte, extrêmement convaincante de son existence, a d'ailleurs été fournie il y a quelque mois, suite à l'étude d'un amas de galaxies en rayons X par le cousin de Hubble, Chandra.

Selon la théorie de l'évolution des galaxies, la matière noire s'est effondrée gravitationnellement la première, servant de germe à la formation des galaxies qui, à leur tour, se rassemblent au cours du temps pour former des amas localisés dans un réseau de filaments interconnectés. Les zones de matière noire créent, alors, une sorte de puits gravitationnel dans lequel la matière normale tombe par attraction au cours du temps.

On comprend donc qu'avoir une carte en 3D de la matière noire à grande échelle est un moyen essentiel pour tester la théorie. N'oublions pas aussi que regarder loin dans l'Univers, c'est regarder tôt à cause de la vitesse finie de propagation de la lumière. C'est pourquoi cette carte permet de tester l'évolution de la répartition dans le temps de la matière, et pas seulement dans l'espace.

Comment s'y prendre alors puisque, par définition, cette matière ne rayonne pas ?

Les astrophysiciens et les astronomes sont habitués à relever de tels challenges, ils savent qu'ils ont un outil formidable pour percer les secrets de l'Univers à grande échelle : la théorie de la relativité générale d'Einstein !

La masse courbe la trajectoire des rayons lumineux. En utilisant cet effet, on peut remonter à la distribution de matière s'intercalant entre la source de ces rayons et l'observateur. Quand on regarde la forme des galaxies à grande distance, on s'aperçoit que leur image est légèrement déformée à cause de ce phénomène. C'est en utilisant essentiellement cette technique, dite de lentille gravitationnelle faible, pour près d'un demi-million de galaxies à grandes distances, que l'on a pu aboutir au résultat aujourd'hui publié dans «Nature».

Video sur la découverte de Hubble. 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 ». © ESA/Hubble (M. Kornmesser & L. L. Christensen

On le doit à une équipe d'astronomes du Caltech, de l'Observatoire de Marseille et d'autres institutions dans le monde. En plus de l'effet de lentille, il a fallu utiliser des données en rayons X.

Les mesures montrent un accord très satisfaisant avec les prédictions de la théorie de la formation des grandes structures, il reste juste à détecter directement cette matière noire en laboratoire !

Ce pourrait être ce qu'on appelle des WIMPS ou des axions. Le candidat le plus probable actuellement, et qui pourrait être détecté au LHC, est une particule issue des théories de supersymétrie, le neutralino.

Cette carte en trois dimensions offre un premier aperçu de la répartition à grande échelle de la matière noire, une forme invisible de matière qui représente la majeure partie de la masse de l'Univers. En raison de la vitesse finie de la lumière, les régions les plus éloignées sont également considérées telles qu'elles existaient il y a longtemps. La carte s'étend à mi-chemin du début de l'univers. La carte révèle un réseau lâche de filaments de matière noire, qui s’effondrent progressivement sous l’effet impitoyable de la gravité. Sans matière noire, la masse dans l'univers aurait été insuffisante pour permettre l'effondrement des structures et la formation de galaxies.© NASA, ESA and R. Masseya
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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.