NGC 1052-DF2 réside dans le groupe dominé par une galaxie elliptique massive appelée NGC 1052. Cette grande galaxie à l'apparence floue est si diffuse que les astronomes peuvent voir clairement les galaxies lointaines derrière elle. Hubble a pris cette image le 16 novembre 2017 en utilisant son Advanced Camera for Surveys. © Nasa, ESA et P. van Dokkum (université de Yale)
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Le mystère des galaxies sans matière noire est peut-être résolu

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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. 

Le modèle cosmologique standard semblait impliquer que toutes les galaxies contiennent de la matière noire. Mais certaines galaxies naines en semblent dépourvues. Les astrophysiciens ne savaient pas encore ce que cela signifiait et se posaient la question de savoir s'il fallait réviser le modèle de la matière noire froide ou carrément l'abandonner. Il n'en serait rien d'après de nouvelles simulations numériques de la formation des galaxies basées uniquement sur le modèle standard.

Dans le précédent article ci-dessous, Futura rappelait que l'une des grandes interrogations du modèle standard de la cosmologie était la validité même de ce modèle, c'est-à-dire l'existence de la matière noire qu'il postule pour rendre compte de nombreuses observations dans le monde des galaxies qui supposent l'existence d'une quantité de masse sous forme de particules inconnues dans le laboratoire sur Terre, quantité de masse qui domine celle sous forme de protons et de neutrons, au moins dans l'Univers observable.

Futura rappelait également qu'au lieu de postuler l'existence de particules n'interagissant avec la matière normale que par sa force de gravité, ou alors très faiblement par d'autres forces (éventuellement électromagnétiques si ces particules sont millichargées), on pouvait aussi faire intervenir à la place ou en complément des modifications des lois de la mécanique céleste newtonienne.

Or ces dernières années, on a découvert des galaxies naines qui semblaient dépourvues de matière noire ou pour le moins en contenir très peu, ce qui ne semblait pas compatible avec le modèle cosmologique standard, modèle qui, de toute façon aussi, est connu depuis des décennies pour prédire une abondance de galaxies naines satellites des grandes galaxies que l'on n'observe pas.

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 Recherche

Des inconnues dans les interactions entre matière noire et matière ordinaire

Comme l'explique un communiqué récent de l'Université de Princeton, c'est en 2018 que deux astrophysiciens -- Shany Danieli, boursier Hubble de la Nasa et boursier Carnegie-Princeton du département des sciences astrophysiques de Princeton, et Pieter van Dokkum, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Yale -- ont observé NGC 1052-DF2, une galaxie ultra-diffuse ou UDG (Ultra Diffuse Galaxies, en anglais).

« Nous nous attendions à de grandes fractions de matière noire. C'était une surprise complète ! » rappelle Danieli dans le communiqué de Princeton qui fait état d'une nouvelle découverte à ce sujet dans un article dont il est le coauteur avec Jorge Moreno, professeur d'astronomie au Pomona College.

Moreno rappelle, quant à lui, que « il est établi depuis 40 ans que les galaxies ont de la matière noire. En particulier, les galaxies de faible masse ont tendance à avoir des fractions de matière noire nettement plus élevées, ce qui rend la découverte de Danieli assez surprenante. Pour beaucoup d'entre nous, cela signifiait que notre compréhension actuelle de la façon dont la matière noire aide les galaxies à se développer avait besoin d'une révision urgente ».

Avec leurs collègues Danieli et Moreno ont donc conduit de nouvelles simulations numériques concernant les galaxies dans le modèle cosmologique standard qui ont abouti à de nouveaux résultats exposés dans un article de Nature Astronomy en accès libre sur arXiv .

Un séminaire sur Fire. 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 ». © NCSAatIllinois

Ces simulations sont des raffinements de celles menées depuis des années sous le nom de  Fire (Feedback in Realistic Environments). Les toutes premières simulations de la naissance et de l'évolution des galaxies et des grandes structures les rassemblant n'avaient pas la puissance de calcul nécessaire pour prendre en compte toute l'astrophysique présente, à savoir les explosions de supernovae, les flux de matière et de rayonnement produits ainsi que leurs effets sur les nuages moléculaires des galaxies, notamment et plus généralement, sur la dynamique du milieu interstellaire et les interactions gravitationnelles entre la dynamique de ce milieu, les étoiles, les halos et filaments de matière noire enveloppant les galaxies et amas de galaxies.

Tout simplement aussi, comme la matière noire est sensée dominer largement la matière baryonique, on avait fait l'approximation qu'il n'y avait pas besoin de s'occuper de la prise en compte réaliste de cette matière dans les simulations. En fait, depuis un moment déjà, des astrophysiciens et cosmologistes suspectaient qu'il n'y avait pas besoin de remettre en cause l'existence de la matière noire ou de lui attribuer des propriétés supplémentaires exotiques, comme le fait de pouvoir interagir avec elle-même selon une nouvelle force. Il suffisait probablement de faire des simulations réalistes de toute l'astrophysique en jeu.

Les nouvelles simulations dans Fire faisant intervenir cette astrophysique dans un volume dont la taille est d'environ 60 millions d'années-lumière et partant de l'état de la matière juste après l'émission du rayonnement fossile après le Big Bang semblent leur donner raison.

Des forces de marée qui éjectent la matière noire ?

Voici ce qu'en dit Danieli, dans le communiqué de Princeton : « C'était époustouflant... pas aussi époustouflant que l'Univers réel, mais voir des galaxies sans matière noire dans la simulation a sûrement suscité beaucoup d'excitation. Ce qui est vraiment cool, c'est que la simulation n'a en aucun cas été conçue pour générer ces galaxies déficientes en matière noire, mais lorsque Jorge a soigneusement fouillé les données de simulation, il en a trouvé sept ! Sept galaxies qui semblent dépourvues de leur matière noire. C'est la première fois que quelqu'un le voit dans ce type de simulation. Les résultats fournissent également des prédictions intéressantes que nous espérons tester davantage par l'observation ».

Cette image d'une nouvelle simulation informatique montre la distribution de la matière noire dans un groupe de galaxies simulées, avec des zones plus lumineuses montrant des concentrations plus élevées de matière noire. Les cercles montrent des images rapprochées de la lumière stellaire associée à deux galaxies dépourvues de matière noire. Si ces galaxies avaient de la matière noire, elles apparaîtraient comme des régions brillantes dans l'image principale. © Alex Gurvich, Northwestern University

Ce que les chercheurs ont découvert, c'est que lors d'interactions gravitationnelles rapprochées, notamment après plusieurs collisions, les forces (de marée ?) entre des grandes galaxies comme la Voie lactée et des galaxies naines 1.000 fois moins massives sont en mesure d'arracher le contenu en matière noire de ces petites galaxies au point qu'il n'en reste plus ou très peu.

Robert Feldmann, professeur à l'Université de Zurich, et qui a conçu la nouvelle simulation, précise et ajoute que, pour lui, « ce travail théorique montre que les galaxies déficientes en matière noire devraient être très courantes, en particulier à proximité des galaxies massives ».

Son collègue et coauteur de la découverte, James Bullock, un astrophysicien et professeur à l'Université de Californie-Irvine, qui est un expert de renommée mondiale sur les galaxies de faible masse, bien qu'il pense que le résultat obtenu soit particulièrement robuste -- car il provient de simulations qui n'avaient pas été conçues au départ pour expliquer l'existence des galaxies sans matière noire et ne reposaient donc pas directement sur une modélisation des interactions qui pouvaient se produire entre galaxies -- reste tout de même prudent.

« Cela ne signifie toujours pas que ce modèle est correct. Un vrai test sera de voir si ces phénomènes existent avec la fréquence et les caractéristiques générales qui correspondent à nos prédictions ».

Pour cela, il faudrait notamment surprendre des collisions en cours montrant clairement l'éjection de la matière noire.

Pour en savoir plus

Le mystère continue avec la découverte d'une nouvelle galaxie sans matière noire

Article de Laurent Sacco publié le 12/12/2021

Le modèle cosmologique standard implique que toutes les galaxies contiennent de la matière noire. Selon des mesures de Hubble, ce ne semble pas être le cas avec NGC 1052-DF2 et pas plus avec AGC 114905, observée avec les radiotélescopes du VLA. Les astrophysiciens ne savent pas encore ce que cela signifie. Faut-il réviser le modèle de la matière noire froide ou carrément l'abandonner ?

Selon le modèle cosmologique standard, toutes les galaxies devraient être plongées dans un halo de matière noire. Ce modèle peut se targuer de succès spectaculaires mais il n'est pas sans problème. Sans des hypothèses supplémentaires sur la nature de la matière noire, il n'est par exemple nullement évident de comprendre pourquoi on ne trouve pas un grand nombre de galaxies naines autour des grandes galaxies.

Il est possible que les particules de matière noire n'existent pas et que les phénomènes qui s'expliquent bien par la présence d'une composante dominante en masse de ces particules, par rapport aux protons et neutrons de la matière ordinaire, s'expliquent bien aussi en modifiant les lois de la mécanique céleste de Newton. Cette hypothèse est explorée dans le cadre de la théorie Mond (acronyme en anglais de Modified Newtonian Dynamics, pour dynamique newtonienne modifiée, en français) depuis des années et elle a pris du poids, aidée en partie par le fait que les particules de matière noire restent de façon surprenante insaisissables directement ou indirectement dans les nombreux détecteurs sur Terre ou en orbite dédiés à leur chasse.

La galaxie AGC 114905. L'émission stellaire de la galaxie est représentée en bleu. Les nuages verts montrent l'hydrogène gazeux neutre. La galaxie ne semble pas contenir de matière noire, même après 40 heures de mesures détaillées avec des télescopes de pointe. © Javier Román & Pavel Mancera Piña, CC By 4.0

Une réfutation de la matière noire... ou de Mond ?

Depuis quelques années, certaines galaxies intriguent les astrophysiciens et les cosmologistes parce qu'elles ne rentrent pas facilement ni dans le cadre de Mond ni dans celui du modèle cosmologique standard et qu'on ne sait pas très bien si en fait elles ne réfuteraient pas Mond, voire certains modèles de matière noire. Il s'agit de ce que l'on appelle des galaxies ultra-diffuses ou UDG (Ultra Diffuse Galaxies, en anglais).

Futura a consacré plusieurs articles à ces objets, comme celui ci-dessous dont le contenu a été en partie repris dans un article portant sur ces galaxies à l’occasion des 20 ans de Futura.

Hubble avait ainsi révélé le cas de l'UDG NGC 1052-DF2 qui ne semble pas contenir de matière noire, ce qui s'explique mal dans le cadre de la cosmologie standard. Mais elle devrait au moins se comporter comme telle si Mond est correcte puisque ses équations doivent s'appliquer à toute la matière ordinaire. Toutefois, Mond peut produire des galaxies qui semblent se comporter selon les lois de Newton en faisant intervenir des effets de marée causés sur NGC 1052-DF2 par d'autres galaxies.

Mais cette explication ne semble pas tenir dans le cas de l'UDG située à environ 250 millions d'années-lumière de notre Galaxie et qui se nomme AGC 114905. Elle a à peu près la taille de notre propre Voie lactée, mais contient mille fois moins d'étoiles. Comme l'explique un article publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et en accès libre sur arXiv, par une équipe internationale d'astronomes dirigée par des chercheurs néerlandais, AGC 114905, sauf erreur de mesures, ne contient pas de matière noire et son environnement ne semble pas permettre aux effets de marée d'intervenir dans le cadre de Mond ou d'avoir entraîné l'expulsion de la matière noire hors de la galaxie.

Le mystère des UDG dépourvues de matière noire ne fait donc que s'approfondir.


Le mystère de la galaxie sans matière noire n'est toujours pas résolu !

Article de Laurent Sacco publié le 21/06/2021

Le modèle cosmologique standard implique que toutes les galaxies contiennent de la matière noire. Selon de récentes mesures de Hubble, ce ne semble pas être le cas avec NGC 1052-DF2. Les astrophysiciens ne savent pas encore ce que cela signifie. Faut-il réviser le modèle de la matière noire froide ou carrément l'abandonner ?

Et voilà qu'un nouveau rebondissement dans le match opposant l'équipe des supporters de la matière noire et celle des supporters de la théorie Mond vient d'être annoncé par la Nasa. Il concerne la galaxie ultra-diffuse NGC 1052-DF2 que l'on peut observer dans la constellation de la Baleine et porte sur son contenu en matière noire, comme l'explique un article publié dans The Astrophysical Journal Letters, que l'on peut consulter sur arXiv. Futura a consacré plusieurs articles à cette galaxie dont on ne sait pas très bien si elle réfute la théorie de la matière noire ou les modifications des lois de la mécanique céleste newtonienne dans le cadre de la théorie Mond.

NGC 1052-DF2 a probablement une taille comparable à celle de notre Voie lactée mais elle semble contenir beaucoup moins d'étoiles et, à coup sûr, ne comporte ni bras spiraux ni disque. On ne peut pas non plus la classer parmi les galaxies elliptiques. Comme dans le cas des autres galaxies, on peut estimer son contenu en matière normale en mesurant sa luminosité intrinsèque et en évaluant son contenu en étoiles (n'oublions pas que la théorie de la structure stellaire établit un lien entre la luminosité et la masse d'une étoile).

Les implications de la découverte de NGC 1052-DF2 expliquées il y a quelques années. 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 ». © Nasa Goddard

Un conflit avec la matière noire ou avec Mond ?

Il pourrait bien sûr se trouver dans NGC 1052-DF2, plus sobrement appelée DF2, de la matière non ou peu lumineuse sous forme de baryons ou de particules encore inconnues composant la fameuse matière noire postulée par le modèle cosmologique standard.

Mais il y a quelques années, l'astronome Pieter van Dokkum, de l'université de Yale, et ses collègues ont obtenu une estimation dynamique de la masse totale contenue dans DF2 en mesurant les mouvements orbitaux de 10 amas globulaires autour de cette galaxie. Et surprise, ces amas se comportaient comme si seule, ou presque, la gravité de la matière baryonique dans les étoiles de DF2 était présente. Pas de matière noire donc, ou si peu qu'elle était indétectable avec les instruments mobilisés pour révéler et évaluer sa présence.

Or une telle galaxie aussi pauvre en matière noire, au point qu'on peut considérer qu'elle en est dépourvue, ne s'accorde pas avec les simulations effectuées jusqu'à maintenant de la formation et de l’évolution des galaxies dans le cadre du modèle cosmologique standard.

En appliquant naïvement la théorie Mond on s'attendrait à voir que les orbites des amas soient peu ou prou les mêmes que si DF2 contenait de la matière noire. S'agissait-il d'une réfutation de Mond ? Difficile à dire car Mond prédit un effet particulier d'une galaxie sur une autre qui peut conduire DF2 à se comporter comme elle le fait si elle est suffisamment proche d'une autre galaxie massive (voir le précédent article ci-dessous avec des explications de l'astronome états-unien Stacy McGaugh).

Des compléments d'information sur l'état de la situation avec DF2. 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 ». © Nasa's Goddard Space Flight Center

La luminosité absolue d'un objet est proportionnelle au produit de sa luminosité apparente par le carré de sa distance. Si la distance de DF2 est réévaluée, son contenu en matière lumineuse l'est aussi. In fine, son contenu en matière noire également. Tout semblait être rentré dans l'ordre en 2019 avec une nouvelle mesure de la distance à NGC 1052-DF2 qui la rapprochait de la Voie lactée.

Mais, voilà que tout vient de changer car en utilisant des données collectées avec Hubble concernant 5.400 géantes rouges (ces étoiles évoluent en atteignant toutes le même pic de luminosité, ce sont donc des étalons fiables pour mesurer les distances de certaines galaxies), Pieter van Dokkum et ses collègues affirment maintenant que DF2 est plus éloignée qu'on ne le pensait avec une distance évaluée à 72 millions d'années-lumière.

Le mystère ressurgit. Nous avons encore moins de raisons de penser que DF2 contient de la matière noire et la question de savoir si Mond est réfutée ou non par cette observation n'est pas non plus tranchée, comme l'expliquent à nouveau les astronomes dans leur article.


Le mystère de la galaxie sans matière noire, DF2, est-il résolu ?

Article de Laurent Sacco publié le 05/06/2019

En 2018, un groupe d'astronomes avait révélé que la galaxie NGC 1052-DF2 semblait dépourvue de matière noire, ce qui apparaissait comme une difficulté majeure aussi bien pour le modèle cosmologique standard que pour son alternative sans matière noire utilisant la théorie Mond. Une nouvelle estimation de la distance de cette galaxie a fait disparaître ces difficultés.

Cela fait des décennies que l'on cherche des particules de matière noire directement et indirectement, en tentant de les produire puis de les détecter avec des accélérateurs de particules comme le LHC ou bien par leurs produits éventuels de désintégration dans l'espace, par exemple sous forme de rayons gamma bien particuliers traqués avec le satellite Fermi ou d'un excès de particules d'antimatières mesuré avec AMS à bord de l'ISS.

Cette quête s'est révélée décevante jusqu'à maintenant et l'on n'arrive toujours pas à expliquer la naissance des galaxies et la formation des grandes structures qui les rassemblent sans ces particules de matière noire. Par contre, il en est tout autrement au niveau de la description des grandes galaxies et de leurs cortèges de galaxies satellites naines. Des théories de la gravitation différentes de celle de Newton et même d'Einstein et qui respectent le cadre théorique proposé par le physicien israélien Milgrom sous l'appellation de Mond (la théorie de la dynamique newtonienne modifiée, en anglais Modified Newtonian dynamics) font tout aussi bien voir, même mieux que le modèle cosmologique de la matière noire froide.

Pourtant, comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous, lorsque l'astronome Pieter van Dokkum et ses collègues ont regardé de plus près la « galaxie ultra-diffuse » (UDG) NGC 1052-DF2 dans la constellation de la Baleine, ils ont eu une surprise en utilisant les instruments du W. M. Keck Observatory pour étudier les mouvements de 10 amas globulaires autour de cette UDG. Ces mouvements semblaient indiquer qu'elle était dépourvue de matière noire, ce qui est très difficile à comprendre dans le cadre du modèle cosmologique standard bien confirmé par les observations de Planck notamment.

La galaxie ultra-diffuse [KKS2000]04, encore appelée NGC 1052-DF2, ici observée avec le télescope Gemini (Hawaï) et avec le télescope Hubble (détail). La distance nouvellement mesurée de 41 millions d’années-lumière implique qu’elle réside dans un halo de matière noire, qui domine le mouvement de ses étoiles. © CNRS, IAC

Une galaxie ultra-diffuse plus proche

Paradoxalement, la situation pouvait être encore pire pour Mond, bien que l'un des grands promoteurs de cette théorie, l'astronome états-unien Stacy McGaugh, ait tout de suite fait remarquer qu'une des conséquences non correctement prises en compte de Mond pouvait tout de même rendre éventuellement compte des observations.

On pouvait penser qu'une révolution n'allait pas tarder à se produire mais il fallait pour cela refaire des mesures et se pencher sur le cas de NGC 1052-DF2 de plus près, ce qu'a fait une équipe internationale de chercheurs qui vient de publier à ce sujet ses conclusions dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), un article disponible aussi en accès libre sur arXiv.

Tout comme dans l'affaire des neutrinos transluminiques, une erreur de mesure avait été faite. Les précédentes déterminations de la distance de l'UDG à la Voie lactée se sont révélées fausses. En utilisant cinq méthodes différentes pour mesurer la distance de NGC 1052-DF2, donc en évitant des biais, les chercheurs se sont rendu compte qu'elle ne se trouvait pas à une distance d'environ 64 millions d'années-lumière, mais bien à une distance beaucoup plus petite de 41 millions d'années-lumière.

Or, cela change tout, et en particulier les estimations de la luminosité intrinsèque de la galaxie et de ses amas globulaires. On peut alors montrer qu'elle doit bel et bien posséder un contenu en matière noire et que celui-ci dépasse de 20 fois sa masse en étoiles. Ce nouveau résultat est conforme à la théorie actuelle de la formation et de l'évolution des galaxies et de facto n'entre plus en contradiction non plus avec Mond.

Si l'énigme de NGC 1052-DF2 apparaît maintenant comme résolue, celle de la matière noire demeure.


DF2, la galaxie qui défie la théorie de la matière noire... et Mond !

Article de Laurent Sacco publié le 30/03/2018

Aussi grande que la Voie lactée, DF2 est une galaxie très pauvre en étoiles et, surtout, elle ne contient que très peu de matière noire voire pas du tout. Ce qui est inexplicable dans le cadre du modèle cosmologique standard. Son alternative la plus connue, la théorie Mond, en apporte-t-elle une meilleure description ? C'est le contraire : cette étrange galaxie pourrait même la réfuter.

De nombreux physiciens des hautes énergies et d'astrophysiciens spécialistes des astroparticules s'attendaient sans doute à ce que la nature de la matière noire soit déterminée pendant la première décennie du XXIe siècle. Mais ni les détecteurs du LHC ni AMS n'y sont parvenus. Parallèlement, la théorie Mond, une alternative crédible à la matière noire, a marqué des points au niveau des galaxies, même si elle semble difficilement compatible avec les observations du rayonnement fossile.

La traque continue et, tout récemment, l'hypothèse qu'elle soit constituée au moins en partie de trous noirs primordiaux, a refait surface. Des détecteurs enterrés ont été « upgradés », à l'exemple de Xenon 1T. On affine aussi les modèles de la naissance des structures galactiques en tenant compte de la relativité, avec l'espoir de poser de nouvelles contraintes sur la nature de la matière noire.

Or, récemment, les astrophysiciens ont mis en évidence des galaxies de la taille de la Voie lactée mais contenant nettement moins d'étoiles, avec une luminosité comparable à celle des galaxies naines. Ce sont les « galaxies ultra-diffuses », ou UDG en anglais, ainsi baptisées par l'astronome Pieter van Dokkum, de l'université de Yale.

Elles sont probablement assez nombreuses dans l'univers observable car dans le seul amas de la Chevelure de Bérénice (dit de Coma), contenant plus de 1.000 galaxies, le télescope Subaru, à Hawaï, en a repéré des centaines. Les astronomes en avaient déduit que pour résister aux forces de marée gravitationnelles des autres grandes galaxies, les UDG devraient contenir des quantités importantes de matière noire, jusqu'à une proportion d'au moins 98 %.

NGC 1052-DF2, la galaxie ultra-diffuse sans matière noire

Pourtant c'est l'inverse qu'ont vu Pieter van Dokkum et ses collègues, qui viennent de diffuser leur découverte dans deux publications sur arXiv. Repéré dans la constellation de la Baleine, l'objet est une UDG au moins très pauvre en matière noire. Elle pourrait même en être totalement dépourvue. Elle a été observée et étudiée avec plusieurs télescopes, Hubble bien sûr, pour déterminer précisément sa distance à la Voie lactée, mais aussi un télescope construit sur mesure au Nouveau-Mexique pour chasser les UDG et équipé de l'instrument Dragonfly Telephoto Array, exploitant une technique d'interférométrie. Ils ont surtout utilisé les instruments du W. M. Keck Observatory pour étudier les mouvements de 10 amas globulaire autour de cette UDG.

Il est apparu que l'UDG, classifiée sous le nom de NGC 1052-DF2 et plus sobrement appelée DF2, se trouve à environ 65 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Sa taille est comparable mais elle n'abrite pas de trou noir central et ne comporte pas de bras spiraux ni de disque. Et elle ne ressemble pas non plus à une galaxie elliptique... Ce qui a surpris les astrophysiciens est que sa masse déduite des mouvements des amas globulaires correspond à celle déduite de sa luminosité. Or, celle-ci est une mesure de son contenu en matière baryonique normale, en particulier sous forme d'étoiles. Elle semble finalement au moins 400 fois moins riche en matière noire que ce que l'on aurait pu prévoir. Et encore cette valeur n'est-elle qu'un maximum : le minimum pourrait être zéro.

DF2 pose un gros problème au modèle de la matière noire froide, qui, en effet, n'a jusqu'à présent jamais prédit l'existence d'un tel objet. Pourtant, paradoxalement, on peut penser qu'il vient de lui donner la victoire, même si ces mesures sont probablement encore à confirmer et qu'elles sont, comme toujours, encadrées d'incertitudes interdisant des conclusions fermes.

En effet, la théorie alternative Mond est encore plus contredite par DF2. Cette théorie prévoit des modifications aux lois de la gravitation de Newton s'appliquant aux galaxies. Le champ de gravitation de NGC 1052-DF2 devrait alors affecter les mouvements de ses amas globulaires de la même manière que s'il possédait de la matière noire. Il devrait donc abriter une masse bien plus grande que celle déduite de sa luminosité.

Pour Mond, le problème serait donc bien plus sérieux que pour les modèles avec matière noire. Au point que NGC 1052-DF2 serait même une réfutation de Mond.

L’astronome états-unien Stacy McGaugh a travaillé sur les galaxies à faible brillance de surface, la formation et l'évolution des galaxies. Il est aussi connu pour ses travaux sur la matière noire, la théorie Mond et le rayonnement fossile. © Case Western Reserve University

NGC 1052-DF2 réfute-t-elle Mond ?

L'un des astrophysiciens les plus réputés qui a choisi de suivre la piste Mond d'une modification des lois de la gravitation, l'astronome états-unien Stacy McGaugh, n'a pas tardé à réagir sur son compte Twitter. Il y a commenté le travail de ses collègues en ces termes : « ils semblent avoir supposé que cette galaxie est isolée. Ce n'est pas le cas. Il faut inclure le champ des galaxies voisines dans le calcul. Ils ne le font pas. C'est peut-être sans conséquence... Je ne peux pas le dire avec les informations disponibles. Mais l'effet de champ externe peut conduire à prédire une dispersion des vitesses plus faibles que dans le cas d'un système isolé. Il faut faire des vérifications. Le cas de Crater 2 est un bon exemple de ce qui peut se produire ».

McGaugh rappelle là que NGC 1052-DF2 se trouve au sein d'un groupe de galaxies associées à NGC 1052, une galaxie elliptique massive, et que le champ de gravitation de ces objets pourrait bien produire le même phénomène, baptisé en anglais External Field Effect. C'est celui qu'il a étudié avec l'aide de Mond dans la galaxie naine de la Coupe 2 (en anglais Crater 2 dwarf galaxy), une des galaxies naines satellites de la Voie lactée.

NGC 1052-DF2 pourrait donc se comporter en accord avec Mond si de nouvelles mesures et surtout de nouveaux calculs sont menés à bien. Les astrophysiciens sont sans doute bien conscients du premier problème car 23 UDG sont actuellement à l'étude dans l'espoir qu'elles apparaissent elles aussi comme très pauvres, voire dépourvues, en matière noire.

Si Mond venait à être réfuté, comment expliquer les observations concernant NGC 1052-DF2 ? En théorie, rien n'interdit que la matière noire puisse se séparer de la matière baryonique d'une galaxie. C'est d'ailleurs bien ce qui semble s'être produit lors des collisions d'amas de galaxies, comme le célèbre « bullet cluster ». Longtemps, son cas a été présenté comme une preuve définitive, bien qu'indirecte, de l'existence de la matière noire, fournissant même une réfutation de Mond, déjà.

La prudence s'impose donc et rappelons aussi que les galaxies naines autour d’Andromède ne sont pas vraiment en accord avec les prédictions du modèle de la matière noire froide.


Des galaxies défient la théorie de la matière noire

Article de Laurent Sacco publié le 15/10/2016

De nouvelles mesures concernant les galaxies font, une fois de plus, pencher la balance du côté de la théorie Mond. Celle-ci modifie les lois de la gravitation de Newton, au détriment de la théorie de la matière noire, qui est au fondement du modèle standard de la cosmologie. Mais peut-être faut-il simplement considérer des modèles de matière noire exotiques, comme nous l'explique l'astrophysicien Benoît Famaey.

Une petite bombe a explosé en astrophysique il y a quelques semaines. Celle-ci aurait peut-être le pouvoir d'ébranler, voire de révolutionner à terme, les fondements de la cosmologie, et finalement ceux de la physique fondamentale.

Il s'agit d'une étude réalisée par Stacy McGaugh, de la Case Western Reserve University, en compagnie de ses collègues Federico Lelli et Jim Schombert. Elle concerne, comme les chercheurs l'expliquent dans un article déposé sur arXiv et accepté dans Physical Review Letters, les mouvements du gaz interstellaire dans 153 galaxies dans 153 galaxies de formes et de masses variées, par exemple des grandes galaxies spirales et des petites galaxies irrégulières.

Ces mouvements semblent difficilement réconciliables avec le modèle standard de la matière noire. En revanche, ils s'expliquent bien dans le cadre de la théorie Mond (la théorie de la dynamique newtonienne modifiée, en anglais Modified Newtonian dynamics), qui propose des modifications de la physique newtonienne : sa mécanique et sa loi de la gravitation censées être valables avec de faibles vitesses et accélérations.

Stacy McGaugh est connu pour ses travaux sur les galaxies à faible brillance de surface et ceux sur la théorie Mond. En comparaison de l'hypothèse de l'existence de la matière noire, Mond rend de mieux en mieux compte des observations concernant les galaxies, notamment les galaxies naines satellites de la galaxie d’Andromède.

Le physicien israélien Mordehai Milgrom a proposé au début des années 1980 un nouveau cadre pour la théorie de la gravitation. Il s'agissait d'expliquer les anomalies des mouvements des étoiles dans les galaxies sans postuler de nouvelles particules, donc en dehors du modèle de la matière noire froide. © Weizmann Institute of Science

Succès et déboires de la théorie de la matière noire

Les résultats qui viennent d'être obtenus en utilisant les observations accumulées durant cinq ans dans l'infrarouge proche par le télescope Spitzer sont troublants. Ils viennent alimenter le débat entre, d'une part, les partisans de l'introduction de nouvelles particules pour rendre compte du monde des galaxies, et, d'autre part, ceux qui préfèrent modifier la loi de la gravitation.

Pour en comprendre les raisons, quelques rappels sont nécessaires.

La matière noire est nécessaire pour faire naître les galaxies et rendre compte de certaines caractéristiques du rayonnement fossile solidement établies par les mesures du satellite Planck. Aucune autre explication ne tient actuellement la route.

Par ailleurs, à l'échelle des galaxies, on constate que les vitesses des étoiles ne décroissent pas selon la distance au centre des galaxies comme elles devraient le faire en fonction de la répartition et de la masse des étoiles observées. Pour expliquer ce fait, on a tout d'abord postulé l'existence d'une quantité de matière supplémentaire bien plus importante, mais ne rayonnant pas, donc noire, sous la forme d'un halo quasiment sphérique entourant chaque galaxie. Nous savons, pour plusieurs raisons, que ce ne peut pas être de la matière normale. Heureusement, bien des extensions de la physique du modèle standard conduisent naturellement à l'existence de nouvelles particules encore inconnues sur Terre qui pourraient constituer cette matière noire. Malheureusement, et contre toute attente, le démarrage du LHC - ainsi que celui de bien des détecteurs imaginés pour mettre en évidence ces nouvelles particules et qui sont en fonctionnement (AMS, LUX, etc.) - n'a rien donné depuis une dizaine d'années.

Mond, l'alternative proposée en 1983 par le physicien Mordehai Milgrom, d'abord regardée avec défiance, prend donc de plus en plus de poids, même si elle échoue quand certains tentent de l'utiliser pour expliquer les observations de Planck et les grandes structures regroupant les galaxies. Cependant, une version tenant compte de la théorie de la relativité, encore à découvrir, pourrait bien ne pas avoir le même défaut.

Sur ce schéma, est représentée en pointillés la courbe des vitesses de rotation des étoiles dans une galaxie déduite de la répartition de ces étoiles dans le disque. Les observations ne valident pas cette déduction. En effet, les étoiles détectées dans le visible tournent plus vite, tout comme les nuages d'hydrogène repérés grâce à la fameuse raie à 21 cm. Les vitesses sont ici en km/s et les distances en milliers d'années-lumière (ly sur le schéma). © Wikipédia, DP

Une nouvelle prédiction de Mond couronnée de succès

Toujours est-il qu'en utilisant les données de Spitzer, McGaugh et ses collègues ont montré que les valeurs des accélérations des étoiles, dans un échantillon de 153 galaxies diverses, sont étroitement liées, et, de plus, de la même façon, aux variations de la répartition de la matière normale sous forme d'étoiles.

Or, ces accélérations, qui traduisent l'action de la force de gravitation, devraient largement être causées et déterminées par la répartition de la matière noire dans les halos. En effet, celle-ci est bien plus massive que la matière normale, à en croire les répartitions des vitesses des étoiles interprétées dans le cadre du modèle de la matière noire. Il ne devrait donc pas exister de corrélations entre les accélérations et la distribution de matière normale lumineuse... sauf si l'on introduit une nouvelle loi de la gravitation, et non pas de nouvelles particules, comme le postule Mond.

Faut-il en conclure que le modèle standard de la cosmologie vient d'être réfuté (ce qui n'implique nullement celui du Big Bang) et que nous savons maintenant que la matière noire n'existe pas ? Pour le savoir, Futura s'est tourné à nouveau vers l'astrophysicien Benoît Famaey, qui connaît d'ailleurs bien Stacy McGaugh puisqu'il a rédigé un article de fond sur Mond en sa compagnie pour Living Reviews in Relativity.

L'astrophysicien Benoît Famaey est un spécialiste des galaxies et de Mond. Chercheur au CNRS, il travaille à l'observatoire de Strasbourg. © Pierre Maraval

Est-ce la première fois que l'on découvre une relation entre la répartition des étoiles dans les galaxies et leur accélération en dehors du modèle de la matière noire ?

Benoît Famaey : En fait non, ni d'un point de vue théorique ni d'un point de vue expérimental. Dès 1983, Milgrom avait prédit, dans le cadre de sa théorie, une relation conforme à celle observée aujourd'hui. Elle émergeait également des mesures de courbes de rotation faites depuis un certain temps. L'incertitude sur le rapport entre luminosité et masse des étoiles restait néanmoins problématique pour conclure avec certitude. En 2010, mes collègues et moi avions déjà utilisé les données Spitzer pour 12 galaxies avec la même conclusion, mais l'échantillon de 153 galaxies utilisé ici ne laisse, enfin, plus aucune place au doute. Cette relation est réelle.

Faut-il donc maintenant abandonner l'hypothèse de l'existence de la matière noire au profit de Mond ?

Benoît Famaey : Les choses ne sont pas si simples. Mond est plus un cadre de relations phénoménologiques décrivant - et même prédisant - les observations qu'une théorie bien précise. On peut construire des modèles exotiques de matière noire qui conduisent les étoiles à avoir des mouvements semblant contredire les lois de Newton alors que, fondamentalement, il n'en est rien.

On ne peut pas exclure non plus que tout le monde ait raison et que, pour réconcilier les observations qui sont contradictoires entre le rayonnement fossile et les étoiles dans les galaxies, il soit nécessaire de postuler de nouvelles particules ET une nouvelle loi de la gravitation.

Il est difficile, par exemple, d'expliquer les mesures concernant les amas de galaxies faites avec l'effet de lentille gravitationnelle en utilisant seulement Mond. On peut y arriver en introduisant également de la matière noire. Ce n'est pas sans problèmes. On a essayé de le faire, par exemple, avec une population de neutrinos massifs, les neutrinos stériles. Mais l'existence de ces neutrinos conduirait à la formation d'amas de galaxies qui sont bien plus massifs que ceux observés.

L'astrophysicien Justin Khoury travaille à la frontière entre la cosmologie et la physique des particules. Il a notamment proposé un nouveau modèle pour la matière noire. © Perimeter Institute

Pouvez-vous donner un exemple de modèle exotique de matière noire qui permettrait de reproduire les succès de Mond ?

Benoît Famaey : Il y a d'abord le modèle de matière noire avec dipôles gravitationnels proposé par Luc Blanchet. Il existe aussi une théorie proposée récemment par 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. Ces particules pourraient se comporter comme un superfluide sans viscosité en dessous d'une certaine température critique. Cette température critique serait d'autant plus élevée que la densité est grande. Cette transition de phase se produirait justement au niveau des galaxies, lorsque la matière noire est beaucoup plus froide, un peu comme un gaz qui se condense en donnant des gouttes de liquide.

Des ondes sonores dans ce superfluide sont décrites par des phonons, comme dans le cas des solides, d'un point de vue quantique. Il est alors possible de montrer que ces phonons peuvent interagir avec la matière normale comme si la force de gravité était modifiée en donnant précisément les phénomènes que l'on trouve dans le cadre de Mond.

Au moment où le rayonnement fossile a été émis et au niveau de la formation des amas de galaxies et des grandes structures qui les regroupent, la matière noire est, bien sûr, non relativiste mais quand même trop chaude pour se comporter comme un superfluide, de sorte que Mond ne s'applique pas.

L'ESA vient de rendre publics les premiers résultats des observations de Gaia. À terme, on devrait faire un bond de géant dans la connaissance des positions et vitesses des étoiles de la Voie lactée, qu'elles soient dans son disque, son bulbe ou dans le halo. Pourra-t-on y voir plus clair sur toutes ces questions, voire confirmer Mond ?

Benoît Famaey : Les résultats déjà obtenus avec Gaia ne nous permettent pas encore de le savoir mais d'ici quelques années, on aura des contraintes beaucoup plus fortes dans la Voie lactée sur les modèles de matière noire ou sur ceux qui font intervenir des modifications de la loi de la gravitation. On devrait alors être en bien meilleure position pour départager, peut-être, ces deux hypothèses et en tester d'autres comme le modèle de matière noire superfluide. En attendant, on continue de travailler.

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