Le trou de Lockman est une région de la Voie lactée située dans la constellation de la Grande Ourse qui est presque libre de l'absorption des rayons X par le gaz d'hydrogène neutre. Il doit son nom à son découvreur, l'astronome Félix Lockman. Il a permis à Herschel d'observer des galaxies telles qu'elles étaient il y a 10 à 12 milliards d'années. On voit ici ces galaxies sous forme de points. © Esa & SPIRE consortium & Hermes consortium

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Moins de matière noire que prévu pour les vieilles flambées d'étoiles

ActualitéClassé sous :Astronomie , Herschel Multi-tiered Extra-galactic Survey , Hermès

La présence d'un halo de matière noire joue un rôle important dans la dynamique et la formation des galaxies. D'après les mesures récentes du télescope spatial Herschel, il suffit d'environ dix fois moins de matière noire que ne le prévoyait la théorie pour expliquer les galaxies à flambée de formation d'étoiles quelques milliards d'années après le Big Bang.

La matière noire est un ingrédient nécessaire pour rendre compte de l'existence des galaxies et des amas de galaxies observés aujourd'hui. En effet, les fluctuations de température dans le rayonnement fossile sont couplées à celles de la densité de matière normale. Les mesures de Cobe et de WMap nous ont appris que ces fluctuations de densité étaient bien trop faibles pour que l'effondrement gravitationnel des grumeaux de matière baryonique ait eu le temps de former ces structures. Il en va tout autrement si une composante de matière noire, découplée du rayonnement fossile, était déjà présente et avec des grumeaux plus importants en train de s'effondrer rapidement avant la recombinaison, environ 380.000 ans après le Big Bang.

Ces grumeaux de matière noire vont alors former des halos plus ou moins sphériques dans lesquels des galaxies peuvent apparaître. Toutefois, la quantité de matière noire dans les halos est un paramètre important déterminant si oui ou non une galaxie va se former, et si oui à quel rythme. 


Une vidéo de l'Esa illustrant la mission Herschel, découvrir comment les étoiles et les planètes se forment. © Esa/YouTube

L'importance de la quantité de matière noire

En effet, si cette quantité est trop faible, des étoiles massives vont bien se former. Mais comme elles finiront par exploser en devenant des supernovae, les ondes de choc des explosions auront tendance à disperser le nuage de matière normale dans lequel des étoiles sont en formation. Si la protogalaxie est située dans un halo de matière noire trop peu massif, le champ de gravité de cette matière ne pourra pas retenir bien longtemps le gaz de matière normale soufflé par les supernovae et la formation de la protogalaxie va s'auto-inhiber.

À l'inverse, s'il y a trop de matière noire, le gaz baryonique se comprime, chauffe, et il n'aura pas le temps de se refroidir suffisamment vite pour que l'effondrement gravitationnel, freiné par la pression thermique du gaz, puisse former la quantité d'étoiles observée.

Lorsque des étoiles se forment dans une galaxie, particulièrement à l'occasion d'une flambée d'étoiles, du rayonnement infrarouge est émis en quantités importantes. De nos jours, le taux de formation stellaire est généralement très faible, quelques étoiles par an tout au plus dans la Voie lactée. Mais quelques milliards d'années après le Big Bang, il pouvait fréquemment être de quelques centaines à un millier d'étoiles par an dans une galaxie. Il en résulte qu'il existe un véritable fond diffus infrarouge provenant de cette formation importante d'étoiles dans les premiers temps du cosmos. Ce fond diffus a été observé par les instruments d'Herschel avec une résolution sans précédent dans le cadre du Herschel Multi-tiered Extra-galactic Survey (Hermes).

Les chercheurs ont pu en déduire la masse minimale de matière noire dans un halo nécessaire pour donner lieu à une galaxie à flambée de formation d'étoiles. Ils ont trouvé une valeur d'environ 300 milliards de masses solaires.

C'est une double surprise. D'abord parce que c'est environ dix fois moins que ce que les modèles semi-analytiques prédisaient jusqu'à présent, mais aussi parce que c'est la valeur optimale pour former rapidement des étoiles. Les théoriciens de la formation des galaxies et des grandes structures vont donc devoir réviser leur copie mais avec maintenant une précieuse contrainte observationnelle pour les guider.

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