satellite dwarf galaxies

Des galaxies naines désobéissent-elles à la loi de la gravitation ?

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La découverte d'un disque de galaxies naines en rotation autour de la galaxie Centaurus A pose un problème supplémentaire à la théorie de la matière noire, l'épine dorsale du modèle cosmologique standard. En effet, elle pourrait indiquer qu'il est nécessaire de modifier les lois de Newton de la gravitation...

Il est toujours impossible de rendre compte de la naissance des galaxies et des caractéristiques du rayonnement fossile mesurées par le satellite Planck sans faire intervenir de la matière noire. Pourtant, ce n'est pas faute d'avoir essayé. En revanche, quand il s'agit de rendre compte du monde des galaxies avec le modèle de la matière noire froide complété par l'existence de l'énergie noire — ce que l'on appelle le modèle Lambda Cold Dark Matter (LCDM) —, les cosmologistes sont perplexes. D'ailleurs, ces derniers le sont probablement encore plus aujourd'hui, suite à une publication mise en valeur par le célèbre journal Science et qui provient des travaux d'une équipe internationale d'astronomes (l'article est disponible en accès libre sur arXiv).

Pour comprendre de quoi il retourne, il faut savoir que, depuis quelques décennies, les cosmologistes reproduisent de mieux en mieux, à l'aide de simulations numériques, l'évolution des grandes structures de l'univers observable, c'est-à-dire essentiellement celles faites d'amas de galaxies se regroupant au cours du temps pour former des filaments enlaçant des bulles beaucoup moins riches en matière, que celle-ci soit sous forme d'étoiles ou de matière noire. Ils reproduisent aussi, jusqu'à un certain point, la naissance des galaxies elles-mêmes. Et c'est justement là que se pose un problème ; comme on dit parfois, « le diable est dans les détails ».

Des images de la simulation Aquarius, conduite par des membres du consortium Virgo. Ce dernier a été fondé en 1994 afin d'effectuer des simulations en cosmologie avec la matière noire et l'énergie noire au moyen de superordinateurs. Virgo s'est développé rapidement en une collaboration internationale entre une douzaine de scientifiques du Royaume-Uni, d'Allemagne, des Pays-Bas, du Canada, des États-Unis et du Japon. © canniGermany

Les premières simulations ne faisaient intervenir que des paquets de matière noire, non seulement parce que celle-ci est censée dominer, par sa force de gravitation, la matière normale (puisqu'elle serait présente en quantités plus importantes), mais aussi parce qu'il était encore plus gourmand en calcul de tenir compte du comportement de la matière baryonique (en effet, celle-ci produit des étoiles et donc également du rayonnement, notamment sous forme de supernovae ou lorsqu'elle est accrétée par des trous noirs supermassifs).

Ces premières simulations prédisaient la formation d'un grand nombre de petites galaxies naines, particulièrement gorgées de matière noire, entourant les grandes galaxies sous forme de satellites. Il devrait y en avoir autour de la Voie lactée. Or, les scientifiques se sont finalement aperçus que le compte n'y était pas, de loin (la situation était la même en ce qui concerne la galaxie Andromède). Ces galaxies étant peu lumineuses, il est difficile de les compter à de plus grandes distances. Peut-être s'agissait-il d'une anomalie locale, pas représentative du cosmos... Mais peut-être fallait-il aussi revoir les modèles de la matière noire pour en considérer de plus exotiques, par exemple des modèles dits « de matière noire tiède », avec une composante de particules de matière noire moins massives que celles censées former la matière noire froide.

Des disques de galaxies naines en rotation dans le cadre de Mond

Une autre hypothèse, plus radicale, a été proposée. Selon celle-ci, il fallait en fait changer les lois de la mécanique et de la gravitation de Newton. Un cadre phénoménologique général pour ces modifications, appelé Modified Newtonian dynamics (Mond), a été proposé en 1983 par le physicien Mordehai Milgrom. Or, si Mond échoue toujours à rendre compte de certaines caractéristiques du rayonnement fossile, ce cadre théorique ne cesse de remporter des succès à l'échelle des galaxies, où il fonctionne même mieux que les modèles basés sur la matière noire !

Il y a quelques années, une autre équipe internationale d'astronomes avait fait exploser une petite bombe à cet égard. Les chercheurs avaient réussi à préciser les caractéristiques de bon nombre des galaxies naines entourant la Voie lactée et Andromède. Il s'est avéré que ces galaxies étaient non seulement rassemblées dans une structure en forme de disque, mais que leurs mouvements tendaient à être dans le même sens.

L'idée que des galaxies naines puissent se former lors de la rencontre de deux grandes galaxies, à partir des petits débris éjectés par les forces de marée pendant l'interaction, est ancienne. On la doit à l'astrophysicien suisse Fritz Zwicky.

Cette idée a été à nouveau proposée par l'astrophysicien britannique Donald Lynden-Bell dans les années 1970. Celui-ci fut l'un des premiers à remarquer la distribution planaire des galaxies naines autour de la Voie lactée et à souligner que les rencontres de galaxies pouvaient naturellement expliquer de telles géométries, avec des mouvements de rotation cohérents de ces galaxies.

De nouveau, cela ne cadre pas avec le modèle cosmologique standard avec matière noire. Cela suggère que les galaxies naines situées autour de la Voie lactée et d'Andromède sont essentiellement des naines de marée, c'est-à-dire des rassemblements plus au moins récents à l'échelle de l'âge de l'univers observable d'étoiles arrachées sous forme de courants de marée à l'occasion d'interactions rapprochées entre galaxies, et même très probablement lors d'une rencontre passée entre Andromède et la Voie lactée.

Pourtant, si tel est le cas, il devrait être possible de montrer que ces naines de marée sont pauvres en matière noire. Or, les observations montrent que ce n'est pas vrai. Tout rentre dans l'ordre si l'on suppose que la matière noire n'existe pas, mais qu'il s'agit d'une manifestation des conséquences de Mond.

Bien évidemment, les tenants du modèle standard ont fait des objections. Peut-être que la Voie lactée et Andromède, voire certaines galaxies du fameux Groupe local (un groupe de plus de 60 galaxies auquel appartient la Voie lactée et dont le diamètre est de 10 millions d'années-lumière au plus), sont des anomalies ne rendant pas compte de ce qui se passe à plus grande échelle. Peut-être aussi que des simulations fines du comportement de la matière normale en interaction avec la matière noire finirait pas résoudre toutes ces énigmes une fois que des codes suffisamment performants auront été écrits, avec, surtout, une montée suffisante de la puissance de calcul des ordinateurs.

Vers une matière noire « mondienne » ?

Il semble que ces objections aient été anéanties avec l'étude des galaxies naines autour de Centaurus A (cette grande galaxie elliptique est située dans la constellation du Centaure, à environ 13 millions d'années-lumière). Celle-ci est entourée de 31 galaxies naines satellites, auxquelles s'ajoutent 15 autres candidates en attente de confirmation. Or, les chercheurs viennent de montrer que non seulement ces galaxies étaient à nouveau majoritairement rassemblées dans un disque, mais qu'elles orbitaient aussi dans le même sens ; cela pointe, là encore, vers une origine à partir des courants de marée.

Les simulations numériques prédisent bien que, dans 20 % des cas, il est possible d'observer un rassemblement des galaxies naines sous forme de disque alors que, dans la majorité des cas, elles devraient avoir une répartition aléatoire sous forme d'un halo quasi sphérique ; mais ces chances tombent à 0,1 % si les galaxies orbitent en plus dans le même sens.

Centaurus A, la Voie lactée et Andromède nous disent donc que ce phénomène est probablement universel et qu'il échappe aux simulations numériques basées sur le modèle cosmologique standard. En effet, la prédiction de 0,1 % qui émerge des modèles avec uniquement de la matière noire, comme la fameuse « simulation du Millénaire », semble robuste car elle se trouve maintenant aussi dans la simulation Illustris, qui a fait parler d'elle récemment. Or, celle-ci contient le comportement de la matière baryonique et du rayonnement pouvant être émis par cette dernière.

Que faut-il conclure de ces nouveaux résultats ? La prudence s'impose car si ceux-ci peuvent effectivement indiquer qu'il faut modifier la théorie de la gravitation sans postuler l'existence de la matière noire, cela n'est peut-être pas nécessaire. On sait en effet qu'il existe au moins deux modèles de matière noire exotique produisant naturellement un comportement de type mondien pour les galaxies :

  • le modèle de matière noire avec dipôles gravitationnels proposé par Luc Blanchet ;
  • la théorie de 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.

Une chose est sûre : nous avançons en direction de la résolution des énigmes de la cosmologie.