Une photo prise par le télescope spatial Hubble de NGC 1300. Cette galaxie spirale barrée est située à 69 millions d'années-lumière de nous en direction de la constellation de l'Éridan. Elle fait partie de ces galaxies possédant une grande barre centrale. Celle-ci contient une spirale de 3.300 années-lumière. © Wikipédia, DP
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Matière noire : une nouvelle preuve avec le ralentissement de la barre de la Voie lactée

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[EN VIDÉO] 1,8 milliard d'objets célestes cartographiés par Gaia  Le télescope spatial européen Gaia dévoile la première partie d'un catalogue de plus d'1,8 milliard d'objets célestes de notre galaxie, observés avec une précision inégalée ! 

Le modèle de la matière noire est censé expliquer les caractéristiques des mouvements des étoiles et du gaz dans les galaxies et aussi dans les amas de galaxies. Des astrophysiciens viennent de lui faire passer victorieusement un test concernant la barre d'étoiles dans la Voie lactée, dont la rotation doit ralentir sous l'effet de la force de la gravitation de la matière noire. Un effet déjà constaté dans certaines galaxies spirales barrées.

Cela fait seulement un siècle environ que des astronomes comme Harlow Shapley, Heber Curtis et surtout Edwin Hubble ont posé les bases de nos conceptions modernes de la nature des galaxies et de la structure de la Voie lactée. En utilisant des observations concernant les amas globulaires autour de notre Galaxie, Shapley a permis de montrer que celle-ci avait la forme d'un disque avec un bulbe central, bulbe où le Soleil n'occupait pas le centre. En revanche, Shapley s'était opposé aux idées de Curtis et Hubble qui voyait certaines nébuleuses, telles que celle d'Andromède, comme d'autres exemples de galaxies que la Voie lactée et donc à de grandes distances à l'extérieur d'elle.

En fait, tout cela avait été anticipé presque deux siècles auparavant par le grand philosophe Emmanuel Kant, inspiré par les idées de Thomas Wright, dans l'opuscule intitulé Histoire naturelle générale et théorie du ciel.

Du temps de Hubble, comme le prouve sa classification des galaxies, on savait qu'il existait des galaxies spirales barrées. Mais, comme nous sommes à l'intérieur du disque de la Voie lactée, on pouvait penser que l'on ne saurait jamais s'en extraire ni donc déterminer à quel type de galaxies elle appartenait vraiment. La radioastronomie allait changer tout cela et, en étudiant la fameuse raie à 21 cm de l’hydrogène, les astronomes ont pu montrer que la Voie lactée possédait plusieurs bras spiraux et qu'elle était une spirale barrée.

De nos jours, l'étude de notre Galaxie se poursuit, en particulier avec la mission astrométrique Gaia. Les données qu'elle a collectées viennent d'être utilisées par deux chercheurs de l'Université d'Oxford et de l'University College London, également en Angleterre, pour confirmer une prédiction issue du modèle cosmologique standard faite il y a des décennies. Pour s'en convaincre, il suffit de lire l'article qu'ils ont publié dans la célèbre revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et que l'on peut aussi trouver en accès libre sur arXiv.

Une vue d'artiste de la Voie lactée si l'on pouvait s'en extraire. © Pablo Carlos Budassi

Des troyens galactiques avec la barre de la Voie lactée

Il y a environ 30 ans, alors que le modèle de la matière noire froide commençait à s'imposer avec les travaux de pionniers comme le prix Nobel de Physique James Peebles, il était déjà admis que notre Voie lactée, comme les autres galaxies spirales, devait être plongée dans un halo quasi sphérique et quasi homogène de matière noire -- avec toutefois un pic de densité de cette matière noire au centre du halo.

On peut mobiliser ce que les mathématiciens appellent la théorie du potentiel pour calculer le champ de gravitation généré par la matière noire dans le halo. Des calculs analytiques, confirmés par des simulations numériques, prédisaient alors que la barre d'étoiles en mouvement de la Voie lactée devait subir une force dite de frottement dynamique en raison de la gravité de la matière noire. En réponse, la barre devait ralentir au cours des milliards d'années.

Cette prédiction avait, semble-t-il, été confirmée en étudiant des galaxies spirales comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous auquel nous renvoyons pour plus de détails.

Ralph Schoenrich (UCL Mullard Space Science Laboratory) et Rimpei Chiba, de l'Université d'Oxford, expliquent donc aujourd'hui que les données de Gaia concernant un groupe d'étoiles, faisant partie de ce que l'on appelle le courant d'Hercule, a des caractéristiques qui impliquent non seulement que le ralentissement de la barre de la Voie lactée est réel mais qu'il s'accorde avec ce que l'on sait de la matière noire froide et surtout qu'il s'accorde mieux qu'avec les prédictions de la théorie alternative à l'existence de cette matière, des modifications des lois de la mécanique céleste newtonienne dans le cadre de la théorie Mond.

Ces étoiles semblent bel et bien piégées par les forces de gravitation de la barre comme le sont sur des points de Lagrange les fameux satellites troyens dans le Système solaire.

Mais ce qui du plus haut intérêt, c'est que, bien que n'étant pas dans la région centrale de la Voie lactée, ces étoiles en portent la marque cosmochimique car elles sont dix fois plus riches en éléments lourds que les étoiles extérieures dans le disque de notre Galaxie, avec justement des abondances comparables aux étoiles qui se forment dans la barre et le bulbe de la Voie lactée.

Or, si l'effet de friction dynamique de la matière noire est bien là comme prévu sur la barre, le ralentissement de sa rotation doit s'accompagner d'une expulsion des étoiles qu'elle piège comme des astéroïdes troyens sur des orbites plus éloignées du centre de la Voie lactée. On doit également trouver une correspondance entre les périodes orbitales de ces étoiles et la période de rotation de la barre qui se maintient dans le temps.

Les données de Gaia soutiennent donc l'existence de la matière froide et favorise cette hypothèse par rapport à Mond. Ces mêmes données laissent penser que, depuis sa création, la barre de la Voie lactée a vu sa vitesse de rotation diminuer d'au moins 24 %.

Pour en savoir plus

Matière noire : une nouvelle preuve venue des galaxies spirales barrées

Article de Laurent Sacco publié le 14/02/2017

Le modèle de la matière noire est censé expliquer les caractéristiques des mouvements des étoiles et du gaz dans les galaxies et aussi dans les amas de galaxies. Des astrophysiciens espagnols viennent de lui faire passer victorieusement un test concernant les barres d'étoiles dans certaines galaxies spirales.

Voici quelques mois, Stacy McGaugh, de la Case Western Reserve University, en compagnie de ses collègues Federico Lelli et Jim Schombert, avait fait savoir que des travaux qu'ils avaient menés, notamment à partir de données prises par le télescope Spitzer, ne semblaient pas compatibles avec l'existence de la matière noire. Les mouvements du gaz interstellaire dans plus de 150 galaxies s'expliquaient bien au moyen de la théorie Mond, laquelle suppose des modifications des lois de la mécanique céleste de Newton.

Jetant un pavé dans la mare déjà trouble du problème de la nature exacte de la matière noire et de l'énergie noire dans le cadre du modèle standard et alimentant également le débat entre ceux qui préfèrent introduire une nouvelle physique de la gravitation et pas de nouvelles particules pour résoudre autrement les énigmes des mouvements des amas de galaxies et des étoiles dans les galaxies découvertes respectivement par Fritz Zwicky et Vera Rubin, des chercheurs viennent de déposer un article sur arXiv.

La matière noire devrait ralentir la rotation des barres d’étoiles

Il provient d'un groupe d'astrophysiciens espagnols de l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Selon des observations faites également avec Spitzer et concernant 68 galaxies spirales barrées, complétées par des simulations numériques, les auteurs pensent disposer maintenant d'une nouvelle preuve de l'existence de la matière noire. Répartie sous la forme d'un halo quasi sphérique autour des galaxies, il était prédit depuis un certain temps que son champ de gravitation devait ralentir la vitesse de rotation des barres d'étoiles dans les galaxies spirales. Malgré des doutes initiaux, ce serait effectivement bien le cas.

Mais pour comprendre de quoi il en retourne, commençons par faire quelques rappels sur les galaxies spirales barrées dont notre Voie lactée fait partie.

Large de 75.000 années-lumière, la galaxie spirale barrée NGC 1672 est située à environ 60 millions d’années-lumière de la Voie lactée. ©Nasa

Environ deux tiers des galaxies dans l'univers observable actuel seraient des galaxies spirales et près de 70 % d'entre elles possèdent une barre. Les théories expliquant la formation de ces structures, spirale et barre, sont assez subtiles. Les chercheurs pensent qu'une barre apparaît dans une spirale quand les orbites stellaires deviennent instables et acquièrent un mouvement plus éloigné de la forme circulaire. En fait, le gaz d'étoiles dans une galaxie est autogravitant et il peut être le siège d'ondes, comme dans un fluide, avec apparition de structures particulières, à l'image des vagues à la surface de l'eau. Techniquement parlant, les barres sont des ondes de densité qui peuvent se développer spontanément dans un disque galactique soumis à sa propre gravitation.

La matière noire allonge les barres d’étoiles

En fait, le champ de gravitation du halo de matière noire supposé exister autour des galaxies devrait avoir des effets importants sur ces barres, à tel point que les calculs laissent supposer depuis environ 20 ans que l'un d'entre eux constitue un véritable test de l'existence de ce halo.

Les étoiles dans la barre tournent généralement plus vite que celles des bras spiraux. Mais il devrait exister un cercle de rayon donné autour du centre des galaxies, appelé cercle de corotation, où les vitesses des étoiles sont les mêmes. D'après la théorie, en ralentissant le mouvement de rotation des barres, la gravitation du halo de matière noire devrait aussi faire augmenter le rayon du cercle de corotation. En pratique, ce rayon devrait être 1,4 fois supérieur à la longueur des barres. Or depuis une décennie, les observations montraient le contraire, ce qui mettait en difficulté le modèle de la matière noire.

En réalisant de nouvelles mesures, les chercheurs de l'IAC ont confirmé ce fait, mais la nouvelle méthode qu'ils ont utilisée leur a également permis de mesurer la vitesse de rotation des barres et surtout de la comparer à la vitesse de rotation du bord externe des disques des galaxies spirales. La valeur obtenue s'est avérée plus petite que ce que l'on pensait.

Une explication de ce phénomène, compatible avec l'existence de la matière noire, supposait que les barres devenaient plus longues avec le temps tout en ralentissant. Pour en avoir le cœur net, les astrophysiciens de l'IAC ont conduit des simulations numériques qui ont effectivement montré que c'est bien ce qui devrait se passer avec un halo de matière noire.

Si les chercheurs ont raison, le modèle cosmologique standard en sort renforcé.

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