Un amas de galaxies provoque, par son contenu en matière noire, un important effet de lentille gravitationnelle conduisant à des images de galaxies en forme d'arc. © Nasa

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La matière noire froide se réchaufferait dans des galaxies naines

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Cela fait des années que les astrophysiciens s'interrogent sur des boucles de rétroactions du comportement de la matière baryonique normale sur la matière noire. Aujourd'hui, l'étude de 16 galaxies naines semble confirmer l'existence d'une telle boucle, avec un processus de chauffage de la matière noire par la matière normale dans les galaxies.

Le modèle de la matière noire froide est remarquablement efficace lorsque l'on cherche à décrire le cosmos observable à des échelles supérieures à quelques millions d'années-lumière, à savoir la naissance des galaxies et la structuration de leurs populations en amas de galaxies et filaments d'amas de galaxies. En fait, on ne peut pas s'en passer pour faire apparaître les galaxies aussi rapidement dans un univers observable, âgé seulement de 13,8 milliards d'années. Et on ne peut pas rendre compte non plus de certaines caractéristiques du rayonnement fossile sans postuler l'existence d'un gaz de particules massives et animées de faibles vitesses. Cela justifie le nom de matière froide (les vitesses moyennes des particules d'un gaz sont d'autant plus élevées que le gaz est chaud).

Pourtant, les choses deviennent moins simples quand on descend à l'échelle des galaxies. Les simulations numériques basées sur la matière noire froide n'ont plus le même succès. Elles prédisent une concentration plus élevée de matière noire au centre des halos de cette matière, entourant les galaxies, ainsi qu'un très grand nombre de petites galaxies naines satellites autour des grandes galaxies. Or, nous n'observons ni l'un ni l'autre. Il n'y a pas de pic de densité de matière noire (dit cusp en anglais) au centre des galaxies et, aussi bien la Voie lactée qu'Andromède ne semblent posséder qu'un petit nombre de satellites.

Dans cette discussion, les astrophysiciens Justin Read et Celine Boehm passent en revue les preuves relatives à la matière noire et examinent les éventuelles particules qui pourraient la constituer. Cette discussion a eu lieu au Denys Wilkinson Building, Oxford, le 7 septembre 2016. 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 ». © Fine Tuning

On peut tenter de résoudre des problèmes en ajoutant une petite composante de matière chaude noire, c'est-à-dire des particules de faibles masses et surtout animées de plus grandes vitesses, ce qui tend à gommer les cusps et la formation des petites structures. Tenter aussi de modifier les lois de la mécanique céleste newtonienne, ce que cherchent à faire sur des bases solides les partisans de la théorie Mond.

Une matière noire influencée par la matière normale

On peut toutefois être beaucoup moins révolutionnaire, comme l'expliquait à Futura l'astrophysicien Richard Taillet dans une interview au sujet de la matière noire. En effet, les premières simulations avec de la matière noire ne contenaient que de la matière noire justement car sa force de gravité est censée être dominante. Et on ne disposait pas encore de la puissance de calcul suffisante pour tenir compte du comportement de la matière normale, baryonique, la seule que l'on détecte pour le moment en laboratoire. Personne n'ayant, hélas, observé directement une particule de matière noire (à l'exception des neutrinos standards, si l'on veut être rigoureux mais leur contribution est très faible).

La matière normale est sensible au champ de gravitation de la matière noire, mais l'inverse est aussi vrai. De fait, des modifications de la répartition de la matière baryonique vont conduire à des modifications de la répartition de la matière noire. Or, la matière normale forme des étoiles dont les flux de rayonnement, les vents stellaires et les explosions en supernovae sont en mesure de chasser les nuages de gaz et de poussières du milieu interstellaire. On peut également faire intervenir le rayonnement produit par l'accrétion de matière autour des trous noirs supermassifs. Il s'ensuit que les fluctuations de densité de la matière baryonique en raison de la formation, de la vie et de la mort des étoiles vont se traduire par des fluctuations des champs de gravitation associés, et in fine, de la répartition de la matière noire.

L'image de gauche montre la densité d'hydrogène dans une galaxie naine simulée, vue d'en haut. L'image de droite montre la même chose pour une véritable galaxie naine, IC 1613. Dans la simulation, des entrées et des sorties répétées de gaz du centre de la galaxie font fluctuer l'intensité du champ gravitationnel. La matière noire répond à cela en migrant du centre vers l'extérieur de la galaxie, comme le ferait un gaz chauffé qui se dilate et monte dans l'atmosphère. Un effet connu sous le nom de « chauffage de la matière noire ». © Justin Read et al/University of Surrey.

Depuis quelques années, des chercheurs avaient notamment conclu qu'il pouvait y avoir, en quelque sorte, un processus de chauffage de la matière noire froide qui tendait donc à dilater ses répartitions, comme le ferait un gaz chauffé, et qui pouvait peut-être expliquer l'absence de cusp au cœur des galaxies. Il semble maintenant que ce processus de chauffage existe bel et bien d'après un article publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (disponible en accès libre sur arXiv) par une équipe internationale de chercheurs des universités de Surrey (Royaume-Uni), Carnegie Mellon (États-Unis) et le célèbre ETH suisse à Zürich.

Pour arriver à cette découverte, les astronomes ont cartographié la répartition de la matière noire à l'aide de l'effet de lentille gravitationnelle dans 16 galaxies naines. Nous savons que la gravitation dévie les rayons lumineux d'autant plus fortement qu'il y a de la masse dans une région de l'espace. Les astronomes ont effectivement constaté que les galaxies, où la formation d'étoiles est la plus importante, ont un cœur appauvri en matière noire, alors que celles où cette formation s'est arrêtée, il y a longtemps, ont un cœur plus riche.

Ainsi, à l'université de Surrey, l'astrophysicien Justin Read, qui a mené l'équipe de chercheurs, explique : « Nous avons trouvé une relation vraiment remarquable entre la quantité de matière noire au centre de ces galaxies naines et la quantité d'étoiles formées au cours de leur existence. La matière noire au centre des naines avec formation active d'étoiles semble avoir été "chauffée" et repoussée au loin de ces centres. » Pour son collègue Matthew Walker, de l'université Carnegie Mellon : « Cette étude pourrait devenir décisive et nous rapprocher de la compréhension de la nature de la matière noire. »

Ce qui est sûr, c'est que ces résultats fournissent une nouvelle contrainte sur les modèles de matière noire.

  • Le modèle de la matière froide fonctionne très bien pour reproduire les observations en cosmologie à des échelles supérieures à quelques millions d'années-lumière. Mais ce modèle semble avoir des problèmes au cœur des galaxies (on ne voit pas le pic de densité prédit) et pour rendre compte du nombre de galaxies naines en orbite autour des grandes galaxies (il y a un déficit).
  • Toutefois, ces problèmes rencontrés dans les simulations, faisant naître ces structures, sont peut-être simplement dus au fait que ces simulations ne prenaient souvent pas en compte le comportement du gaz interstellaire et des étoiles avec leurs rayonnements, et le souffle de leurs explosions en supernovae.
  • En modifiant la répartition de la matière baryonique dans les galaxies de façon fluctuante, ces processus feraient aussi changer, via le champ de gravitation des répartitions de cette matière, celle de la matière noire d'une façon telle qu'elle serait comme chauffée.
  • Des observations dans des galaxies naines semblent confirmer ce processus de chauffage de la matière normale. Il n'y aurait donc peut-être pas de vrais problèmes avec le scénario de la matière noire froide.
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