SDSS J094700.08 + 254045.7 est l’une des plus grandes et des plus brillantes super spirales. Le disque étoilé et les bras spiraux de la méga galaxie s'étendent sur environ 320.000 années-lumière, soit plus de trois fois la largeur de la Voie lactée. © SDSS

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Matière noire : Mond réfutée par les galaxies super spirales ?

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Très massives, des galaxies, dites super spirales, semblent violer une relation connectant la vitesse de rotation du gaz galactique en bordure de ces spirales et leur contenu en masses stellaires. Cette violation est compatible avec le modèle standard en cosmologie basé sur l'existence de la matière noire mais pas avec son alternative basée sur la théorie Mond. Que faut-il en conclure ? L'astrophysicien Benoît Famaey nous donne quelques explications à ce sujet.

Au tout début du XXIe siècle, la majorité des physiciens et des astrophysiciens partis à la chasse aux particules de matière noire ne pensait sans doute pas que nous n'aurions toujours aucune détection directe ou indirecte de leur existence à quelques semaines de 2020. Il semblait très probable que ces particules se verraient dans les produits des collisions de protons au LHC, ou sous forme d'excès d'antiparticules ou bien de rayons gamma atypiques en provenance du cœur de la Voie lactéevia un détecteur comme AMS ou du télescope Fermi.

Devant cette déception grandissante, les chercheurs ne perdent pas courage et ils se sont tournés vers des modèles de matière noire plus exotiques, encouragés tout de même par les observations faites par Planck du rayonnement fossile ou encore par le très bon accord à grande échelle entre les prédictions du modèle cosmologique standard avec matière noire froide faites par des simulations numériques, et l'aspect des structures rassemblant les galaxies et les amas de galaxies que l'on observe.

Reste que ces dernières années, une alternative au modèle de la matière noire froide a marqué des points, le cadre théorique décrivant une classe de modifications des équations de la mécanique céleste de Newton et qui est appelé « Mond » (Modified Newtonian Dynamics). Même s'il échoue encore pour le moment à se présenter sous une forme compatible avec la théorie de la relativité et qu'il ne permet pas de faire naître les galaxies, il semble plus performant pour décrire les grandes galaxies et les caractéristiques de leurs galaxies naines satellites. On peut s'en convaincre dans le cas de la galaxie d’Andromède mais aussi avec la Voie lactée.

En commençant par une vue large, cette vidéo effectue un zoom avant en utilisant d'abord des images prises avec des télescopes au sol, puis avec Hubble concernant Messier 83. C'est une galaxie spirale barrée où l'on a observé un nombre remarquable d'explosions de supernovae. Elle semble avoir un double noyau en son centre. © Nasas, ESA, et G. Bacon (STScI), William Blair (Johns Hopkins University).

Des galaxies spirales 10 fois plus massives que la Voie lactée

Toutefois, on peut se demander si Mond n'est pas en difficulté, voir réfutée, lorsque l'on prend connaissance du travail effectué par une équipe internationale d'astronomes et qui concerne ce que l'on appelle des galaxies super spirales. Comme l'explique l'article publié dans The Astrophysical Journal Letters et qui est disponible en accès libre sur arXiv, les vitesses de rotation du gaz en bordure de ces galaxies seraient trop grandes pour pouvoir être compatibles avec les prédictions de Mond mais elles s'expliqueraient très bien par un important halo de matière noire entourant chacune d'elles.

Mais, faisons un peu plus connaissance avec ces galaxies super spirales. Elles ont été découvertes il y a quelques années seulement par sérendipité par des astronomes qui cherchaient des grandes galaxies extrêmement lumineuses dans la base de données extragalactique Nasa-Ipac (NED), une archive en ligne contenant des informations sur plus de 100 millions de galaxies obtenues à plusieurs longueurs d'ondes, et par diverses missions et campagnes d'observations, par exemple dans l'ultraviolet avec Galex, la lumière visible avec le Sloan Digital Sky Survey ou encore dans la lumière infrarouge avec Spitzer ou Wise.

Les chercheurs s'attendaient à découvrir des galaxies elliptiques mais les galaxies les plus lumineuses trouvées dans un échantillon d'environ 800.000 galaxies situées à moins de 3,5 milliards d'années-lumière de la Terre étaient souvent des galaxies spirales.

Et quelles spirales ! puisqu'elles étaient de 8 à 14 fois plus brillantes que la Voie lactée avec un contenu en masse jusqu'à dix fois plus élevé pour des diamètres pouvant atteindre 440.000 années-lumière contre 100.000 pour celui de notre Galaxie ! En outre, ces super spirales possédaient un taux de formation d'étoiles 30 fois supérieur à celui de la Voie lactée.

La rangée supérieure de cette mosaïque présente des images de Hubble montrant trois galaxies spirales, chacune pesant plusieurs fois la Voie lactée. La rangée du bas montre trois galaxies spirales encore plus massives qualifiées de « super spirales », qui ont été observées par le sondage au sol du Sloan Digital Sky. Les super spirales ont généralement 10 à 20 fois la masse de la Voie lactée. La galaxie, en bas à droite, 2MFGC 08638, est la super spirale la plus massive connue à ce jour. © Rangée du haut : Nasa, ESA, P. Ogle et J. DePasquale (STScI). Rangée du bas : SDSS, P. Ogle et J. DePasquale (STScI)

Aujourd'hui, les astronomes font donc état d'une étude de la relation existant entre la rotation des super spirales et leurs masses, plus précisément la relation entre la vitesse maximale de la matière en bordure d'une galaxie spirale (déterminée en mesurant la raie Hα de l'hydrogène en émission ainsi que la fameuse raie à 21 cm de l'hydrogène atomique HI) et sa masse sous forme d'étoiles que l'on peut déduire de sa luminosité. Techniquement, il s'agit de la fameuse loi publiée en 1977 par les astronomes  R. Brent Tully et J. Richard Fisher. Mond fait une prédiction bien précise sur cette loi appelée depuis loi de Tully-Fisher.

Or, selon les chercheurs qui ont étudié 23 galaxies super spirales, cette relation est violée ! La matière au bord des galaxies super spirales tourne bien trop vite pour la masse de quelques unes de ces galaxies. Par contre, la contradiction disparaît si l'on tient compte d'un halo de matière noire très massif pour chacune de ces galaxies comme le veut le modèle cosmologique standard.

Des courbes de rotation galactique problématiques

Alors, est-ce la fin de Mond ? Pour le savoir, Futura s'est tourné une fois de plus vers l'astrophysicien Benoît Famaey (qui travaille sur la dynamique des galaxies à l'observatoire de Strasbourg). Bien que pas du tout opposé à la piste de la matière noire comme il l'a expliqué à Futura Sciences, ses recherches l'ont conduit à étudier de près la théorie Mond. Avec son collègue Stacy McGaugh, il a ainsi rédigé un article de fond sur le sujet pour Living Reviews in Relativity. Voici quelques explications du chercheur.

L'astrophysicien Benoît Famaey. © Pierre Maraval

Futura-Sciences : Les observations sur les super spirales mettent-elles vraiment Mond en difficulté ?

Benoît Famaey : Si c'est confirmé, c'est très compliqué à expliquer avec Mond. Ce sont des résultats très intéressants, d'autant qu'avec des collègues, nous avons récemment obtenu des résultats inverses avec des galaxies spirales juste un tout petit peu moins massives, c'est-à-dire qui sont plus en accord avec Mond qu'avec les hypothèses classiques sur la formation des galaxies dans le modèle cosmologique standard avec matière noire. Cependant, il est à peu près certain que les courbes de rotation mesurées dans ces nouvelles galaxies super spirales sont au moins en partie incorrectes, notamment en raison de leur forme.

Les parties internes sont largement dominées par les baryons, donc avec ou sans matière noire, et avec ou sans Mond, on sait à quoi doit ressembler la courbe de rotation. Or, les courbes mesurées ne correspondent pas. À moins que la gravitation Newtonienne ne soit modifiée de façon tout à fait non conventionnelle, les courbes sont fausses dans les parties internes. De ce fait, difficile de faire confiance à la vitesse mesurée dans les parties externes, même si je ne sais pas précisément quel biais pourrait mener à une mesure si élevée.

Sur les 23 galaxies étudiées, seules six semblent violer la prédiction de Mond concernant la loi de Tully-Fisher. Or, ces six galaxies sont observées par la tranche et il est notoirement difficile d'obtenir des résultats fiables dans ce genre de situation lorsque l'on cherche à déterminer des courbes de rotation. On mesure en effet des caractéristiques d'une lumière qui a voyagé dans le disque de ces galaxies en provenance de nombreuses étoiles et à travers des nuages de gaz et de poussières. Les sources d'erreurs et de biais ne sont pas négligeables et il n'est pas facile d'en tenir compte.

De fait, comme je l'ai déjà dit, les courbes de vitesses de rotation qui ont été obtenues sont problématiques, que l'on fasse intervenir de la matière noire ou Mond, ce qui laisse bien penser que l'on doit prendre ces résultats avec du recul et qu'il reste du travail à faire pour les confirmer... ou pas.

  • Des galaxies dites super spirales, car très massives, semblent violer une relation connectant la vitesse de rotation du gaz galactique en bordure de ces spirales et leur contenu en masses stellaires.
  • Cette violation est compatible avec le modèle standard en cosmologie basé sur l'existence de la matière noire mais pas avec son alternative basée sur la théorie Mond.
  • Mais les mesures montrant cette violation sont très critiquables, notamment parce qu'elles reposent sur des galaxies vues par la tranche où l'on sait que la lumière qui a voyagé dans le disque de ces galaxies est en provenance de nombreuses étoiles et a traversé des nuages de gaz et de poussières. Les sources d'erreurs et de biais ne sont pas négligeables et il n'est pas facile d'en tenir compte.
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