Tout le monde a sans doute aujourd’hui entendu parler de la matière noire qui, selon les astrophysiciens des particules et les cosmologistes, est censée être formée de particules encore inconnues, relevant d’une nouvelle physique, et qui doivent dominer par le champ de gravité de leurs distributions celui des étoiles dans les galaxies et des galaxies dans les amas de galaxies.
Ainsi, si on fait le bilan des masses dans un large volume entourant une galaxie ou un amas de galaxies, on trouve en étudiant leurs mouvements que ces masses sous forme de particules de matière ne sont pas majoritairement des particules de matière ordinaire, c’est-à-dire des baryons sous forme de protons et de neutrons pour l’essentiel.
En fait, on trouve que presque 80 % de la masse doit être sous la forme de particules jamais détectées encore et qui ne doivent pas émettre de lumière ou alors très peu, d’où son nom de matière noire, encore appelée parfois matière sombre lorsque l’on traduit en français la dénomination anglaise Dark Matter (DM).
Cet incroyable instantané de l’amas de galaxie de Persée est une révolution pour l’astronomie. L’image montre 1 000 galaxies appartenant à l’amas, et plus de 100 000 galaxies supplémentaires plus loin en arrière-plan. Beaucoup de ces galaxies faibles étaient invisibles auparavant. Certaines d’entre elles sont si éloignées que leur lumière a mis 10 milliards d’années à nous parvenir. En cartographiant la répartition et la forme de ces galaxies, les cosmologistes pourront en savoir plus sur la façon dont la matière noire a façonné l’Univers que nous voyons aujourd’hui. C’est la première fois qu’une image d’une telle taille permet de capturer autant de galaxies de cet amas avec un tel niveau de détails (téléchargez l’image en haute résolution). © ESA, Euclid, Euclid Consortium, Nasa, image processing by J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi; CC BY-SA 3.0 IGO
Les énigmatiques galaxies ultra-diffuses
Les cosmologistes travaillant à résoudre des questions de cosmogonie ont besoin de cette DM qu’ils qualifient de Cold (C) en anglais, c’est-à-dire froide car formant un gaz à basse température avec des particules se déplaçant à de faibles vitesses (peu importe leurs masses, lourdes ou légères, même si la première hypothèse est souvent invoquée). La CDM permet en effet de faire naître les galaxies et les amas de galaxies.
Toutefois, si l’on arrive à reproduire bien des observations concernant la formation du monde des galaxies au cours des milliards d’années depuis le Big Bang avec des jumeaux numériques de l’Univers observable, ces jumeaux prédisent aussi l’existence de nombreuses petites galaxies en orbite autour des grandes galaxies. Généralement le nombre n’y est pas, ce qui questionne un peu la validité du modèle cosmologique standard avec son hypothèse de Cold Dark Matter.
Cependant, les astrophysiciens ont fini par mettre en évidence des galaxies de la taille de la Voie lactée contenant nettement moins d’étoiles et qui sont très peu lumineuses. Elles ont été appelées des galaxies ultra-diffuses, ou UDG en anglais, par l’astronome Pieter van Dokkum de l’université de Yale. Généralement, mais pas toujours, elles semblent gorgées de matière noire, ce qui peut laisser penser que les galaxies naines contenant de la matière noire et qui manquent à l’appel sont peut-être là, mais ayant évolué pour donner des UDG.
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Les mystérieuses galaxies ultra-diffuses : une preuve ou une réfutation de la matière noire ?
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Comment de tels objets ont-ils pu se former ? Peut-être qu’une UDG aurait commencé son histoire comme une galaxie naine normale, mais sa capture, puis sa chute dans un amas de galaxies baignant dans un plasma dense exerçant une pression sur elle l’aurait peut-être conduite à être dépouillée de son gaz nécessaire à la formation d’étoiles. Plus probablement, ce seraient les forces de marée des autres galaxies de l’amas qui auraient siphonné le gaz et les étoiles de la jeune galaxie naine. Il ne serait plus resté que la matière noire et un taux de formation de nouvelles étoiles très bas à cause de sa pauvreté en baryons.
Le télescope spatial Hubble de la Nasa a révélé une découverte exceptionnelle dans l’amas de galaxies de Persée : CDG-2, une galaxie à très faible luminosité de surface composée à 99 % de matière noire. 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
Une galaxie presque invisible trahie par ses amas globulaires
Bien évidemment, les cosmologistes cherchent à en apprendre plus sur ces questions et c’est pour cela que le cas d’une UDG est sur le devant de la scène en ce moment dans des communiqués de la Nasa et de l’ESA est si intéressant.
Comme on peut le voir également dans un article en accès libre sur arXiv, les chercheurs ont utilisé le télescope spatial Hubble de la Nasa et de l’ESA en collaboration avec d’autres instruments comme le télescope japonais Subaru et même le télescope Euclid pour débusquer la Candidate Dark Galaxy-2 (CDG-2), qui semble bel et bien composée de matière noire à… 99,94 %, voire 99,98 % !
Avec une luminosité équivalente à environ 6 millions de soleils seulement, CDG-2 pourrait bien être l’une des galaxies les plus riches en matière noire jamais identifiée. Hubble a révélé sa présence au sein de l’amas de galaxies de Persée, situé à 300 millions d’années-lumière.
La galaxie CDG-2, à faible luminosité de surface (entourée d’un cercle rouge en pointillés à droite), est principalement composée de matière noire et ne contient qu’une faible dispersion d’étoiles. L’image complète, prise par le télescope spatial Hubble de la Nasa, est visible à gauche. © Nasa, ESA, Dayi Li (Université de Toronto) ; Traitement d’image : Joseph DePasquale (STScI)
CDG-2 a été découverte et sa masse a pu être déterminée en utilisant la présence et les mouvements de quatre amas globulaires en orbite autour de cette galaxie (pour mémoire, on en connaît plus de 150 pour la Voie lactée).
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Comme l’explique le communiqué de la Nasa et la vidéo ci-dessus « des regroupements denses d’amas globulaires – des groupes d’étoiles sphériques et compacts que l’on trouve généralement en orbite autour de galaxies normales – peuvent en effet signaler la présence d’une population stellaire faible et cachée… Les amas globulaires possèdent une immense densité stellaire et sont fortement liés gravitationnellement. Cela les rend plus résistants à la destruction par effet de marée gravitationnelle et, par conséquent, des traceurs fiables des galaxies fantomatiques ».
Cette image scintillante montre l’amas globulaire appelé NGC 6397. Il s’agit du deuxième amas globulaire le plus proche de la Terre, situé à environ 7 800 années-lumière. Les amas globulaires sont des ensembles de centaines de milliers d’étoiles liées par la gravité. Actuellement, aucun autre télescope qu’Euclid ne peut observer un amas globulaire en entier et en une seule observation, et en même temps distinguer autant d’étoiles dans l’amas. Ces étoiles faibles nous racontent l’histoire de la Voie lactée et la localisation de la matière noire. © ESA, Euclid, Euclid Consortium, Nasa, image processing by J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi; CC BY-SA 3.0 IGO