Une vision d'artiste d'une galaxie spirale. © Buddy Nath, Pixabay
Sciences

Matière noire : les galaxies spirales suggèrent une mystérieuse interaction avec la matière ordinaire

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

La matière noire dominant le monde des galaxies par sa gravité reste dans l'ombre. Mais si elle existe, elle semble dotée de propriétés différentes de celles initialement postulées à la base du modèle cosmologique standard et qui restent énigmatiques selon une récente étude portant sur des centaines de galaxies spirales dans le passé du cosmos observable.

Le modèle cosmologique standard peut se targuer de nombreux succès. Il repose sur l'existence dans les équations d'Einstein d'une constante dénommée lambda (Λ) en grec ancien et qui n'est rien d'autre que la fameuse constante cosmologique d'Einstein. Λ se comporte comme une densité d'énergie et c'est pour cela que l'on parle de l'existence de l'énergie noire dans le modèle standard. On fait en outre l'hypothèse que cette énergie, qui se comporte comme une pression répulsive accélérant l'expansion du cosmos observable depuis quelques milliards d'années, ne varie pas dans l'espace et dans le temps, même si elle devient de plus en plus dominante par rapport à la matière car elle ne se dilue pas comme le ferait un gaz de particules en expansion.

Parlons maintenant du contenu matériel de l'Univers observable justement. Dans le cadre du modèle cosmologique standard, il est dominé par la matière noire dont on suppose qu'elle est constituée de particules jamais vues sur Terre dans des accélérateurs ou des détecteurs, et qui ne peut interagir avec la matière baryonique standard et avec elle-même uniquement par la gravitation. Cette matière est aussi quasi indispensable pour rendre compte des caractéristiques du rayonnement fossile et tout simplement de l'existence des galaxies.

Depuis 13,7 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA

Toutefois, le modèle cosmologique standard (appelé ΛCDM avec CDM pour cold dark matter, c'est-à-dire « matière noire froide ») n'est pas parfait et il conduit aussi à des paradoxes et des contradictions apparentes avec l'expérience qui laissent soupçonner que, sans le rejeter complètement, il faudrait sans doute l'amender un peu. Ainsi, le désaccord entre les deux estimations de la fameuse constante de la loi de Hubble-Lemaître concernant l'expansion de l'espace a donné du grain à moudre à ceux qui pensent que la constante d’Einstein n'est peut-être pas si constante que ça.

De même, des problèmes au niveau des caractéristiques des galaxies naines satellites des grandes galaxies permet de penser qu'il y a des interactions mal prises en compte entre la matière noire et la matière ordinaire, peut-être même entre les particules de matière noire elles-mêmes.

Un halo de matière noire évolutif

Or, tout récemment, une équipe -- composée principalement de chercheurs de la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa ) en Italie, Gauri Sharma, Paolo Salucci et Glenn van de Ven -- a publié les résultats de travaux avec un article dans la prestigieuse revue Astronomy and Astrophysics.

Les astrophysiciens ont regardé de plus près le contenu en matière noire d'environ 300 grandes galaxies spirales comme la Voie lactée et Andromède, effectuant une sorte de carottage temporel dans notre passé, remontant à il y a presque 7 milliards d'années en arrière.

Cette vue d'artiste montre la Voie lactée. Le halo bleu de matière entourant la galaxie indique la distribution que nous imaginons de la mystérieuse matière noire, qui a été dans un premier temps introduite par les astronomes pour expliquer les caractéristiques de la rotation de la Galaxie. Aujourd'hui, cette mystérieuse matière noire est également considérée comme un composant essentiel de la théorie en vigueur sur la formation et l'évolution des galaxies. © ESO/L. Calçada

Comme leurs prédécesseurs, telle Vera Rubin, ils ont mesuré les vitesses des mouvements des étoiles et des nuages d'hydrogène atomique pouvant s'étendre plus loin que les bords visibles de ces galaxies spirales au moyen notamment de la fameuse raie à 21 cm. Ces mouvements sont révélateurs de la présence et de la distribution de masses cachées, précisément celle de la matière noire sauf si l'on modifie les lois de la mécanique céleste dans le cadre de la théorie Mond comme certains chercheurs ont proposé de le faire.

Il apparait alors que, au cœur des halos de matière noire enveloppant les galaxies spirales, se trouvent une zone de surdensité homogène dont la taille augmente au cours du temps jusqu'à déborder des galaxies spirales elles-mêmes.

Tout se passe donc, selon les chercheurs, comme si la matière noire avait une mystérieuse interaction supplémentaire avec la matière normale, interaction forçant la matière noire du halo à se concentrer de manière à faire croître la taille de ce cœur central de densité homogène mais diminuant avec le temps.

Pour le moment, cela ne cadre pas du tout avec les hypothèses de base du modèle cosmologique standard et cela fournit donc de nouvelles contraintes et informations sur la nature de la matière noire dont la signification exacte reste à explorer.


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