Une vue de la Voie lactée. © Serge Brunier
Sciences

Le halo de matière noire de la Voie lactée s'étendrait sur 1,9 million d'années-lumière

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Une méthode permet d'estimer le diamètre du halo de matière noire dans lequel serait plongé le disque de notre galaxie spirale, la Voie lactée. De forme quasi-sphérique, il s'étendrait sur environ 1,9 million d'années-lumière de diamètre.

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Pendant les années 1970, l'astronome Vera Rubin a établi que les étoiles dans beaucoup de galaxies tournaient plus vite qu'elles ne le devraient si la gravitation n'était produite que par la matière lumineuse visible. Tout se passait comme si une quantité de masse bien plus importante -- mais ne rayonnant pas ou si peu que son rayonnement n’était pas mesurable -- se trouvait dans les galaxies. Cette matière noire, comme on l'a tout naturellement appelée, devait même impliquer, pour rendre compte des courbes donnant les vitesses des étoiles et des nuages de gaz en fonction de leurs distances aux centres des galaxies, qu'elles étaient plongées dans un halo quasi-sphérique des particules censées la composer. Cette matière noire devait en outre être exotique et ne pas être sous la forme des baryons (protons et neutrons) composant la matière ordinaire.

Le modèle, dit de la matière noire froide, est depuis devenu le modèle dominant de la cosmologie standard, notamment grâce aux travaux du prix Nobel de physique James Peebles mais aussi grâce à de multiples observations, surtout celles concernant le rayonnement fossile. Il n'est pas possible de rendre compte des caractéristiques de la plus vieille lumière du monde, notamment en rapport avec la formation des galaxies, sans postuler l'existence de la matière noire. Cela pourrait changer un jour dans le cadre de la théorie Mond toujours en développement qui elle propose de changer les lois de la mécanique céleste sans introduire de nouvelles particules.

Toujours est-il que les cosmologistes mènent des simulations pour comprendre comment les galaxies et les grandes structures qui les rassemblent naissent et évoluent au cours de l'histoire du cosmos observable depuis le Big Bang. Ils veulent par exemple en savoir plus sur les caractéristiques des halos de matière noire postulés qui doivent envelopper les galaxies. Quelles sont leurs tailles par exemple ?

Des images de certaines des galaxies naines en orbite autour de la Voie lactée. © V. Belokurov et S. Koposov, IoA, Cambridge ; Y. Beletsky, Carnegie Observatories

Des galaxies satellites comme traceurs de la matière noire

À priori, ce n'est pas un problème simple car justement la matière noire ne rayonne pas. On peut détecter sa présence indirecte par les effets de lentille gravitationnelle qu'elle doit produire mais, en ce qui concerne la taille des halos de matière noire, une équipe internationale d'astrophysiciens vient de déposer sur arXiv un travail où les chercheurs expliquent qu'ils ont utilisé pour méthode d'estimation celle du halo de la Voie lactée. Son diamètre serait d'environ 1,9 million d'années-lumière, alors que celui du disque de notre Galaxie est d'environ 120.000 années-lumière -- si l'on considère seulement les régions denses en étoiles --, mais s'étend un peu plus loin avec du gaz beaucoup plus pauvre en soleils.

Pour parvenir à son but, l'astrophysicienne, Alis Deaso, de l'Université de Durham, a conduit avec ses collègues des simulations montrant les effets des interactions gravitationnelles dans le passé entre la Voie lactée et la Galaxie d'Andromède (il se pourrait d'ailleurs qu'elles soient déjà entrées en collision). Ces simulations prédisent que le bord du halo de matière noire de notre Galaxie doit plus ou moins coïncider avec une brusque chute des vitesses des galaxies naines satellites autour de la Voie lactée.

On en connait une soixantaine et on peut donc tout à la fois tester l'existence de cette brusque chute des vitesses et à quelle distance elle se produit. Les chercheurs l'ont effectivement observée et c'est elle qui nous indique que le rayon du halo de matière noire est d'environ 950.000 années-lumière. Voilà une information supplémentaire pour estimer la masse totale de notre Galaxie et aussi nourrir les travaux nécessaires pour mieux comprendre la nature des particules de matière noire.

  • Le modèle de la matière noire froide est l'une des composantes majeures du Modèle cosmologique standard. Il permet de rendre compte des vitesses anormalement élevées des étoiles dans les galaxies en les supposant plongées dans un immense halo de matière noire quasi-sphérique.
  • Des simulations numériques portant sur les interactions gravitationnelles dans le passé entre la Voie lactée et sa grande voisine proche la galaxie d'Andromède indique que le bord du halo de matière noire de la Voie lactée doit coïncider avec une chute des vitesses de ses galaxies satellites.
  • On observe cette chute et elle donne au halo un diamètre de 1,9 million d'années-lumière environ.
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