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

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

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 %.

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

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.

Futura Laurent Sacco