Ces galaxies naines désobéissent-elles à la loi de la gravitation ? Ici, une image en couleurs de Centaurus A, révélant les jets émis par le très actif trou noir central de la galaxie. Ceci est une image composite obtenue avec trois instruments différents fonctionnant à différentes longueurs d'onde. Les données à 870 micromètres, de Laboc, sur Apex, sont montrées en orange. Les données aux rayons X, de l'observatoire de Chandra, sont montrées en bleu. Les données de la lumière visible, du Wide Field Imager (WFI) du télescope MGP/ESO de 2,2 mètres, situé à La Silla (Chili), montre les étoiles. La ligne de poussière caractéristique de la galaxie est proche des « couleurs réelles ». © ESO/WFI (Optical) ; MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre) ; NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray)

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Ces galaxies naines désobéissent-elles à la loi de la gravitation ?

ActualitéClassé sous :matière noire , galaxie naine , cosmologie

La découverte d'un disque de galaxies naines en rotation autour de la galaxie Centaurus A pose un problème supplémentaire à la théorie de la matière noire, l'épine dorsale du modèle cosmologique standard. En effet, elle pourrait indiquer qu'il est nécessaire de modifier les lois de Newton de la gravitation...

Il est toujours impossible de rendre compte de la naissance des galaxies et des caractéristiques du rayonnement fossile mesurées par le satellite Planck sans faire intervenir de la matière noire. Pourtant, ce n'est pas faute d'avoir essayé. En revanche, quand il s'agit de rendre compte du monde des galaxies avec le modèle de la matière noire froide complété par l'existence de l'énergie noire — ce que l'on appelle le modèle Lambda Cold Dark Matter (LCDM) —, les cosmologistes sont perplexes. D'ailleurs, ces derniers le sont probablement encore plus aujourd'hui, suite à une publication mise en valeur par le célèbre journal Science et qui provient des travaux d'une équipe internationale d'astronomes (l'article est disponible en accès libre sur arXiv).

Pour comprendre de quoi il retourne, il faut savoir que, depuis quelques décennies, les cosmologistes reproduisent de mieux en mieux, à l'aide de simulations numériques, l'évolution des grandes structures de l'univers observable, c'est-à-dire essentiellement celles faites d'amas de galaxies se regroupant au cours du temps pour former des filaments enlaçant des bulles beaucoup moins riches en matière, que celle-ci soit sous forme d'étoiles ou de matière noire. Ils reproduisent aussi, jusqu'à un certain point, la naissance des galaxies elles-mêmes. Et c'est justement là que se pose un problème ; comme on dit parfois, « le diable est dans les détails ».

Des images de la simulation Aquarius, conduite par des membres du consortium Virgo. Ce dernier a été fondé en 1994 afin d'effectuer des simulations en cosmologie avec la matière noire et l'énergie noire au moyen de superordinateurs. Virgo s'est développé rapidement en une collaboration internationale entre une douzaine de scientifiques du Royaume-Uni, d'Allemagne, des Pays-Bas, du Canada, des États-Unis et du Japon. © canniGermany

Les premières simulations ne faisaient intervenir que des paquets de matière noire, non seulement parce que celle-ci est censée dominer, par sa force de gravitation, la matière normale (puisqu'elle serait présente en quantités plus importantes), mais aussi parce qu'il était encore plus gourmand en calcul de tenir compte du comportement de la matière baryonique (en effet, celle-ci produit des étoiles et donc également du rayonnement, notamment sous forme de supernovae ou lorsqu'elle est accrétée par des trous noirs supermassifs).

Ces premières simulations prédisaient la formation d'un grand nombre de petites galaxies naines, particulièrement gorgées de matière noire, entourant les grandes galaxies sous forme de satellites. Il devrait y en avoir autour de la Voie lactée. Or, les scientifiques se sont finalement aperçus que le compte n'y était pas, de loin (la situation était la même en ce qui concerne la galaxie Andromède). Ces galaxies étant peu lumineuses, il est difficile de les compter à de plus grandes distances. Peut-être s'agissait-il d'une anomalie locale, pas représentative du cosmos... Mais peut-être fallait-il aussi revoir les modèles de la matière noire pour en considérer de plus exotiques, par exemple des modèles dits « de matière noire tiède », avec une composante de particules de matière noire moins massives que celles censées former la matière noire froide.

Des disques de galaxies naines en rotation dans le cadre de Mond

Une autre hypothèse, plus radicale, a été proposée. Selon celle-ci, il fallait en fait changer les lois de la mécanique et de la gravitation de Newton. Un cadre phénoménologique général pour ces modifications, appelé Modified Newtonian dynamics (Mond), a été proposé en 1983 par le physicien Mordehai Milgrom. Or, si Mond échoue toujours à rendre compte de certaines caractéristiques du rayonnement fossile, ce cadre théorique ne cesse de remporter des succès à l'échelle des galaxies, où il fonctionne même mieux que les modèles basés sur la matière noire !

Il y a quelques années, une autre équipe internationale d'astronomes avait fait exploser une petite bombe à cet égard. Les chercheurs avaient réussi à préciser les caractéristiques de bon nombre des galaxies naines entourant la Voie lactée et Andromède. Il s'est avéré que ces galaxies étaient non seulement rassemblées dans une structure en forme de disque, mais que leurs mouvements tendaient à être dans le même sens.

De nouveau, cela ne cadre pas avec le modèle cosmologique standard avec matière noire. Cela suggère que les galaxies naines situées autour de la Voie lactée et d'Andromède sont essentiellement des naines de marée, c'est-à-dire des rassemblements plus au moins récents à l'échelle de l'âge de l'univers observable d'étoiles arrachées sous forme de courants de marée à l'occasion d'interactions rapprochées entre galaxies, et même très probablement lors d'une rencontre passée entre Andromède et la Voie lactée.

Pourtant, si tel est le cas, il devrait être possible de montrer que ces naines de marée sont pauvres en matière noire. Or, les observations montrent que ce n'est pas vrai. Tout rentre dans l'ordre si l'on suppose que la matière noire n'existe pas, mais qu'il s'agit d'une manifestation des conséquences de Mond.

Bien évidemment, les tenants du modèle standard ont fait des objections. Peut-être que la Voie lactée et Andromède, voire certaines galaxies du fameux Groupe local (un groupe de plus de 60 galaxies auquel appartient la Voie lactée et dont le diamètre est de 10 millions d'années-lumière au plus), sont des anomalies ne rendant pas compte de ce qui se passe à plus grande échelle. Peut-être aussi que des simulations fines du comportement de la matière normale en interaction avec la matière noire finiraient pas résoudre toutes ces énigmes une fois que des codes suffisamment performants auront été écrits, avec, surtout, une montée suffisante de la puissance de calcul des ordinateurs.

Les astronomes Oliver Müller (à gauche), de l'université de Bâle, en Suisse, et Federico Lelli (à droite), de l'ESO, expliquent leur découverte. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais apparaissent alors. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Marcel Pawlowski

Vers une matière noire « mondienne » ?

Il semble que ces objections aient été anéanties avec l'étude des galaxies naines autour de Centaurus A (cette grande galaxie elliptique est située dans la constellation du Centaure, à environ 13 millions d'années-lumière). Celle-ci est entourée de 31 galaxies naines satellites, auxquelles s'ajoutent 15 autres candidates en attente de confirmation. Or, les chercheurs viennent de montrer que non seulement ces galaxies étaient à nouveau majoritairement rassemblées dans un disque, mais qu'elles orbitaient aussi dans le même sens ; cela pointe, là encore, vers une origine à partir des courants de marée.

Les simulations numériques prédisent bien que, dans 20 % des cas, il est possible d'observer un rassemblement des galaxies naines sous forme de disque alors que, dans la majorité des cas, elles devraient avoir une répartition aléatoire sous forme d'un halo quasi sphérique ; mais ces chances tombent à 0,1 % si les galaxies orbitent en plus dans le même sens.

Centaurus A, la Voie lactée et Andromède nous disent donc que ce phénomène est probablement universel et qu'il échappe aux simulations numériques basées sur le modèle cosmologique standard. En effet, la prédiction de 0,1 % qui émerge des modèles avec uniquement de la matière noire, comme la fameuse « simulation du Millénaire », semble robuste car elle se trouve maintenant aussi dans la simulation Illustris, qui a fait parler d'elle récemment. Or, celle-ci contient le comportement de la matière baryonique et du rayonnement pouvant être émis par cette dernière.

Que faut-il conclure de ces nouveaux résultats ? La prudence s'impose car si ceux-ci peuvent effectivement indiquer qu'il faut modifier la théorie de la gravitation sans postuler l'existence de la matière noire, cela n'est peut-être pas nécessaire. On sait en effet qu'il existe au moins deux modèles de matière noire exotique produisant naturellement un comportement de type mondien pour les galaxies :

  • le modèle de matière noire avec dipôles gravitationnels proposé par Luc Blanchet ;
  • la théorie de Justin Khoury, qui fait intervenir des particules décrites par un champ similaire à celui d'un modèle de matière noire souvent étudié, celui des axions.

Une chose est sûre : nous avançons en direction de la résolution des énigmes de la cosmologie.

Pour en savoir plus

Une faille dans le modèle de la matière noire froide ?

Article de Laurent Sacco publié le 25/04/2009

Un groupe d'astronomes pense avoir découvert une faille dans le modèle de la matière noire froide expliquant la formation des galaxies. Les dernières observations portant sur les galaxies naines en orbite autour de la Voie lactée ne pourraient s'expliquer qu'en abandonnant la théorie de la matière noire au profit d'une modification de la loi de la gravitation de Newton à grande échelle.

Depuis quelques années, les observations en faveur de l'existence de la matière noire s'accumulent et la théorie Mond proposée pour rendre compte du comportement anormalement rapide des étoiles dans les galaxies et des galaxies dans les amas de galaxies perd du terrain. Cette théorie, plutôt que d'invoquer une matière noire de nature inconnue, introduit une modification de la loi de Newton de la gravitation à grande échelle, qui ne serait plus en 1/r2.

Des théories basées sur des extensions de la relativité générale, théorie de la gravitation proposée par Einstein en 1916, existent. Certaines d'entre elles semblent effectivement pouvoir être mises en accord jusqu'à un certain point avec les observations. L'une des plus célèbres est celle proposée par John Moffat pour rendre compte, par exemple, des observations de collisions d'amas de galaxies. Il semblerait que même dans l'hypothèse où des modifications de la loi de Newton sont bel et bien valides à grandes distances, une composante de matière noire ne puisse pas être écartée comme explication principale malgré tout.

Quelques astrophysiciens restent perplexes ou pour le moins dubitatifs. C'est le cas de Pavel Kroupa dont les travaux sur des galaxies particulièrement denses l'ont déjà conduit à occuper le devant de la scène il y a quelque temps et surtout de Manuel Metz, du Deutsches Zentrum fuer Luft- and Raumfahrt. Cet astronome allemand pense en effet que les observations que lui et ses collègues ont faites sur les galaxies naines en orbite autour de la Voie lactée, comme celles du Dragon ou du Sagittaire, ne peuvent pas être compatibles avec les modèles de matière noire froide.

Il faut savoir que les galaxies naines posent des problèmes aux astrophysiciens et aux cosmologistes partisans des modèles de formation des galaxies basés sur la matière noire froide depuis un certain temps. Ces derniers décrivent bien la formation des grandes galaxies et des amas de galaxies, se rassemblant en des grandes structures et entrant en collision. Mais ces modèles prédisent aussi un très grand nombre de galaxies naines autour des grandes galaxies comme la nôtre ou celle d'Andromède.

Cliquer pour agrandir. Une carte de quelques-unes des galaxies naines en orbite autour de la Voie lactée. © Richard Powell, atunivers.free.fr

Pourquoi les naines forment-elles un disque ?

Très peu lumineuses, ces naines sont plus facilement détectables autour de la Voie lactée. Le problème est que les modèles en prédisent une centaine et les observations pourtant conduites avec rigueur et acharnement s'obstinent à n'en révéler qu'une trentaine. La situation vient d'empirer selon le groupe de chercheurs internationaux comprenant Kroupa et Metz.

En effet, les galaxies naines les plus lumineuses ne sont pas uniformément réparties autour de la Voie lactée. Elles forment un disque et orbitent dans le même sens que celui des étoiles de la Galaxie. Pourtant, cette disposition et ce mouvement ne semblent possibles que si les naines proviennent des interactions de marée lors de collisions entre la Voie lactée et d'autres galaxies. Les modèles numériques de mécanique célestes indiquent donc qu'elles se seraient formées récemment et qu'elles seraient pauvres en matière noire. Mais cette conclusion entre en contradiction avec les autres observations qui indiquent au contraire qu'elles en contiendraient plutôt de grandes quantités... à moins que ce soit précisément la loi de Newton qui soit à changer !

Plusieurs mécanismes et hypothèses intermédiaires entrent en jeu dans la modélisation de ces phénomènes à l'échelle des galaxies. En l'occurrence, il serait prématuré d'en conclure que ces observations réfutent vraiment la théorie de la matière noire. Il ne serait cependant pas sage non plus de les négliger.

Certains astrophysiciens pensent même que tout le monde pourrait avoir raison. Pour certaines situations, seule la matière noire serait une explication satisfaisante mais dans d'autres des théories comme Mond montreraient leur pertinence. Dans tous les cas, il faut faire appel à de la nouvelle physique. Cela ne peut que réjouir le théoricien...

  • Un disque de galaxies naines en rotation a été découvert autour d'une grande galaxie appelée Centaurus A. De tels disques se trouvent aussi autour de la Voie lactée et de la galaxie Andromède. Cela suggère fortement que ce phénomène est la règle, et non l'exception, dans le cosmos observable.
  • La présence de ce disque semble peu compatible avec le modèle cosmologique standard basé sur l'existence de la matière noire. En revanche, cela s'inscrit sans problème dans le cadre de Mond, qui propose de modifier les lois de Newton de la gravitation à l'échelle des galaxies.
  • Il existe toutefois quelques modèles de matière noire compatibles avec Mond, mais qui ne nécessitent pas de changer fondamentalement ces lois.
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