Des galaxies sans matière noire prouvent l’existence de la matière noire

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Tout comme une ondulation dans un étang révèle une pierre qui a été jetée, l’existence de cette substance mystérieuse connue sous le nom de matière sombre ou noire est déduite par son influence cosmique.

Des galaxies sans matière noire prouvent que cette matière existe

Les astronomes ne peuvent pas la voir directement, mais la gravité sculpte la naissance, la forme et le mouvement des galaxies. Cela rend une découverte de l’année dernière encore plus inattendue: une galaxie étrangement diffuse qui ne semblait contenir aucune matière noire.

L’équipe à l’origine de cette étrange découverte, est de retour avec des preuves supplémentaires confirmant leur précédente découverte, ainsi qu’une seconde galaxie récemment localisé qui semble montrer exactement la même chose, ou plutôt son absence. Là où il n’y avait qu’une seule et même galaxie ultradiffusée, apparemment exempte de matière noire, il semble qu’il y en ait maintenant deux.

« Un objet, vous pouvez toujours le qualifier d’une licorne, mais une fois que vous avez trouvé deux licornes, vous commencez à penser que les licornes existent, peut-être réellement », déclare Michael Boylan-Kolchin, astronome à l’Université du Texas à Austin. « Ensuite, vous devez commencer à vous demander comment ils sont arrivés à cet endroit, quelles sont leurs propriétés et à quel point sont-elles répandues dans l’Univers? »

Trouver les licornes

Les deux galaxies sont très faibles et très éloignées de la Terre: des photons de leurs étoiles ont commencé à voyager vers la Terre dans les derniers jours du règne des dinosaures, il y a environ 65 millions d’années. La galaxie originale, appelée NGC 1052-DF2, a la taille de la Voie lactée mais ne contient que 1% des étoiles de notre galaxie.

La nouvelle galaxie, appelée NGC 1052-DF4, se trouve dans le même endroit du ciel et a à peu près la même taille et la même masse. (Le nom «DF» provient de leur découverte à l’aide du réseau de téléphoto Dragonfly, spécialisé dans la détection des objets pâles.)

En mars dernier, des chercheurs dirigés par Shany Danieli et Pieter van Dokkum de l’Université de Yale ont publié une étude comparant NGC 1052-DF2 à la lumière de sa luminosité stellaire ainsi que des mouvements des amas d’étoiles qui l’entourent. Si DF2 contenait autant de matière noire que ce que les astronomes pourraient normalement espérer pour une telle galaxie, la matière noire augmenterait les vitesses orbitales de ces amas d’étoiles.

Mais ils bougent lentement, ce qui suggère que la matière noire est absente. Les critiques ont répondu que ces vitesses de groupe d’étoiles n’avaient pas été calculées correctement et que, même si les calculs étaient corrects, la taille de l’échantillon de seulement 10 groupes d’étoiles était trop modeste pour permettre une détermination fiable de l’inventaire de la matière noire de DF2.

Régler cette question en utilisant une technique différente

En octobre, Danieli a ensuite décidé de régler la question en utilisant une technique différente. Elle a utilisé le Keck Cosmic Web Imager, un nouvel instrument fraîchement installé derrière le miroir primaire géant de 10 mètres du télescope Keck 2 à Hawaii. L’instrument peut mesurer la lumière d’objets très pâles à une résolution extrêmement élevée, ce qui en fait un instrument idéal pour examiner des galaxies ultra-diffuse telles que NGC 1052-DF2.

L’instrument était si bon, en fait, que Danieli n’avait plus besoin d’étudier les mouvements du groupe d’étoiles pour déduire la masse de la galaxie. Au lieu de cela, il pouvait mesurer la masse plus directement, en utilisant la lumière des étoiles de cette galaxie.

En scindant la lumière en ses couleurs constitutives, une pratique appelée spectroscopie, les scientifiques peuvent déterminer la composition, l’âge, le sens, la direction et la vitesse d’une étoile. Une grande partie de cette information est acheminée par des raies spectrales – des entités linéaires incorporées dans le spectre d’une étoile en raison de l’émission ou de l’absorption de divers éléments chimiques.

L’instrument Keck a mesuré le spectre d’environ 10 millions d’étoiles dans la galaxie DF2. La taille de l’écart entre les étoiles les plus rapides et les plus lentes de la galaxie donne une idée de la quantité de matière qui interagit avec elles. Plus il y a de matière, sombre ou moins il y en a, plus les vitesses stellaires sont dispersées.

«À notre propre surprise, nous avons mesuré des lignes [spectrales] extrêmement étroites, ce qui laisse très peu de place pour une masse supérieure à celle apportée par les étoiles de la galaxie», explique Danieli. Il n’y a pas de place pour de la matière noire.

Pendant ce temps, Eric Emsellem de l’observatoire européen austral et ses collègues scrutaient la galaxie à l’aide du Very Large Telescope dans le désert d’Atacama au Chili. Ils ont également constaté une dispersion à faible vélocité, qui corrobore le scénario manquant de matière noire.

Nicolas Martin, astronome à l’Université de Strasbourg en France, était l’un des critiques du document original. Dans des travaux ultérieurs publiés l’année dernière, il estimait qu’il était trop difficile d’estimer la masse de la galaxie DF2 en se basant sur les mouvements des amas d’étoiles environnants.

Mais Martin se dit rassuré par les derniers résultats de Danieli et Emsellem. «Ce n’est possible que grâce à de nouveaux instruments, placés sur les plus grands télescopes de la planète et pour être tout à fait honnête, il n’était pas clair pour moi il y a un an que cela serait réalisable », note-t-il.

Deux équipes ont prouvé la mesure de la plage de vitesses des étoiles

«Il y a un an, je n’étais pas prêt à dire que ce système était forcément étrange, car j’avais eu l’impression que la mesure n’était pas entièrement supportée par les données. Mais maintenant qu’il y a deux équipes différentes qui ont mesuré la plage de vitesses des étoiles, je pense qu’il est clair que c’est une drôle de boule. »

Danieli a présenté ses nouvelles découvertes lors d’une conférence sur la matière noire à l’Université de Princeton, la semaine dernière, et les a soumises à The Astrophysical Journal Letters pour leur publication.

Dans un article séparé, elle décrit la galaxie DF4, qu’elle et plusieurs collègues ont observée avec le télescope spatial Hubble l’année dernière. En examinant sept amas stellaires en orbite autour de DF4, Danieli et ses collègues ont découvert qu’ils bougeaient languissamment, suggérant qu’il y avait très peu ou pas de matière noire dans cette galaxie.

À la recherche d’objets manquants

Plusieurs astronomes se demandent comment de telles galaxies pouvaient se former et où était passée la matière noire. L’une des possibilités est l’attraction gravitationnelle d’une galaxie beaucoup plus grande qui se dépouille de la matière noire, explique Boylan-Kolchin.

Ou DF2 et DF4 peuvent ne pas être des galaxies après tout, mais de modestes collections d’étoiles se faisant passer pour des galaxies. Dans ce cas, ces groupes d’étoiles isolés peuvent s’être formés à partir de jets de gaz en collision venant d’un autre endroit. ou bien, selon Martin, des scénarios encore plus banals, tels que l’orientation des galaxies par rapport à la Terre, seraient défavorables à la production de mesures spectrales précises de leurs mouvements.

«Je suis un peu déchiré par ce système. C’est certainement intrigant et il faut l’expliquer, mais il se pourrait bien que l’explication soit assez banale et que c’était une observation faite tout simplement du mauvais angle ou quelque chose du genre », dit-il.

Une chose est claire: si elle était confirmée au-delà de tout doute raisonnable, l’absence de matière noire dans les galaxies montrerait de manière concluante que le contenu est séparable des étoiles, du gaz, de la poussière et de toute autre matière ordinaire, et renforcerait encore davantage la cause de l’existence de la matière noire.

À ce jour, personne n’a détecté de manière définitive la matière noire malgré des décennies de recherche. L’absence de preuves a amené certains astrophysiciens à rechercher d’autres moyens de dicter ses mouvements en développant des classes d’hypothèses portant des noms tels que «gravité émergente» et «dynamique newtonienne modifiée».

Les partisans de telles idées soutenaient que la plupart des astronomes qui croyaient à la matière noire, pouvaient en réalité s’expliquer par un phénomène issu de la physique que nous ne pouvons pas encore comprendre. Mais si tel était le cas, ces conditions seraient réunies partout dans l’Univers.

Les galaxies telles que NCG 1052 DF2 et DF4 seraient également soumises à ces gravités alternatives – et ces théories devraient expliquer d’une manière ou d’une autre ces étrangetés galactiques – ce qu’elles ne font pas actuellement. La particularité même de ces galaxies suggère donc que ces alternatives sont fausses et que la matière noire doit exister.

Stacy McGaugh, astronome à la Case Western Reserve University et défenseur des solutions de remplacement pour la matière noire, note que la mesure de la dispersion de vitesse par Emsellem est presque deux fois supérieure à celle de Danieli. «La déclaration que l’on est obligé de faire est que nous attendons toujours que cela soit réglé. J’aimerais que les données soient cohérentes », a-t-il déclaré.

Il faut plus de preuves pour conclure que la matière noire existe réellement

«Mais cela ne concerne que les étoiles et pas la matière noire, ce qui rend tout cela vraiment intéressant. La prochaine chose que vous devez vous demander est: comment cela est-il arrivé? Est-ce une propriété intrinsèque, ou existe-t-il d’autres galaxies comme celle-ci? Mon propre sentiment est non. »

Des réponses plus définitives pourraient bientôt arriver; Danieli explique que l’équipe est à la recherche d’autres galaxies naines sans matière noire. «Il se peut que ces objets nous disent quelque chose sur la nature de la matière noire, mais il est trop tôt pour le dire. C’est certainement notre espoir, mais nous devons d’abord trouver plus d’objets et les étudier plus en détail », explique-t-elle.

Source : Scientific American
Crédit photo sur Unsplash : Brett Ritchie

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