Une équipe internationale dirigée par des astrophysiciens du Service d'Astrophysique (SAp) du CEA/DSM/DAPNIA et laboratoire AIM (CNRS, Université Paris Diderot) vient de découvrir une importante quantité de matière noire dans trois galaxies naines formées lors d'une collision entre galaxies il y a environ 360 millions d'années. Ce résultat, confirmé par le résulat de simulations numériques, est totalement inattendu et en contradiction avec le modèle théorique actuel de formation des galaxies dans l'Univers. Il indique que les disques des galaxies contiennent bien de la matière noire, contrairement aux prédictions des modèles cosmologiques. Ce résultat parait aujourd'hui dans la version electronique de la revue Science (10 Mai 2007).
Collisions de galaxies.
Les galaxies spirales telles que notre Voie Lactée sont formées d'un disque d'étoiles et de gaz. La vitesse de rotation anormalement rapide de ces disques indique que la masse totale des galaxies spirales est bien supérieure à la masse visible de gaz et d'étoiles : les galaxies contiennent de grandes quantités de matière cachée, dite « matière noire », dont la nature précise échappe encore aujourd'hui aux physiciens, mais qui selon les scénarios cosmologiques classiques résiderait non pas dans le disque des galaxies mais dans un halo étendu de forme sphérique.
Lors de collisions entre galaxies, les forces mises en jeu lors arrachent de grandes quantités de gaz et d'étoiles aux disques des galaxies et les projettent dans le milieu intergalactique sous la forme de filaments ou d'anneaux de matière. A l'issue de ces collisions, de plus petites galaxies, les galaxies naines" se forment alors à partir de ces débris. Issues principalement des disques et non des halos, ces galaxies de deuxième génération appelées aussi "naines de marée" ne devraient donc pas contenir de matière noire.
Schéma d'une galaxie spirale. La matière visible (étoiles et gaz interstellaire) qui se trouve dans un disque fin en rotation et un bulbe central ne constitue qu'une fraction de la masse. Selon les hypothèses actuelles, la rapide rotation du disque est due à la présence de matière noire dans un vaste halo massif et sphérique autour du disque. Lors de collisions, les débris sont arrachés principalement au disque et ne doivent donc pas contenir de matière noire. Cliquer pour agrandir. Droits réservés CEA/SAp.
Le test des galaxies naines.
Pour établir un bilan de la matière contenue dans les galaxies naines, les chercheurs ont étudié les débris d'une collision autour de la galaxie, NGC 5291, située à environ 200 millions d'années-lumière de la Terre, dans la constellation du Centaure, appelée aussi "galaxie coquillage" à cause de sa forme. Grâce à des observations radios obtenues à l'Observatoire VLA (Very Large Array), ils ont mesuré la vitesse du gaz d'hydrogène dans trois galaxies naines issues de la colision, NGC 5291 N, S et SW. Dans chacun des cas, selon les lois de la gravitation, la vitesse élevée du gaz trahit une masse totale environ trois fois plus élevée que la masse visible. Pour la galaxie NGC 5291N, la masse totale est ainsi de 3 milliards de fois la masse du Soleil (3 109Mo) alors que la masse visible mesurée n'est que de 880 millions de fois la masse du Soleil (8.8 108 Mo) sous forme d'hydrogène atomique (5.7 108 Mo), moléculaire (2 108 Mo) et d'étoiles (1.1 108 Mo). Contrairement aux prévisions théoriques, ces galaxies semblent donc contenir une fraction dominante de matière "noire".
A gauche : la galaxie NGC 5291 (en orange au centre) entourée de son anneau de gaz et d'étoiles, issus d'une collision avec une autre galaxie. Dans ces débris, trois galaxies naines (NGC 5291 N, S et SW) cartographiées à l'aide de l'interféromètre VLA en ondes radio (hydrogène atomique en bleu) et avec le satellite Galex en ultraviolet (montrant la formation d'étoiles en rouge). A droite : le résultat d'une simulation numérique de la collision. Cliquer pour agrandir. Droits réservés CEA/SAp
Pour confirmer leurs résultats, les astrophysiciens ont simulé sur les super-calculateurs du Centre de Calcul Recherche et Technologie (CCRT), les conditions de la collision. Selon ces calculs, NGC 5291 était une galaxie spirale classique lorsqu'elle a été victime d'une collision violente, il y a 360 millions d'années. L'impact aurait formé un gigantesque anneau de gaz qui aujourd'hui s'étend sur près de 500,000 années-lumière, et qui s'est morcelé en de multiples condensations. Les simulations reproduisent très fidèlement le résultat de la collision et confirment que la matière noire, bien qu'initialement présente dans les halos autour des disques galactiques, ne participe pas à la formation des galaxies naines en raison de mouvements rapides désordonnés qui la rendent insensibles aux forces qui s'exercent lors des chocs entre galaxies.
Reconstitution numérique de la collision frontale d'une galaxie spirale avec une autre galaxie, donnant naissance à un système similaire à NGC 5291, 360 millions d'années après la collision. Les vieilles étoiles sont en orange, le gaz interstellaire en bleu, et les condensations formées dans ces débris de collision en rouge. Le temps est indiqué en millions d'années. Pour une séquence animée : fichier AVI (5.7Mo)
La découverte de matière noire dans les galaxies naines contredit donc les modèles cosmologiques actuels pour lesquels cette matière est uniquement dans les halos. L'existence même de la matière noire est remise en cause par des théories alternatives comme MOND (pour MOdified Newtonian Dynamics) qui expliquent la vitesse de rotation rapide des disques de galaxies non pas par une masse plus élevée mais par une légère modification de la gravité. Est-ce le cas pour les galaxies naines ? Selon Frédéric Bournaud du SAp : "le fait que les débris d'une collision de galaxies contiennent deux fois plus de matiere invisible que visible est une totale surprise. Cela indique que cette matière est initialement dans le disque des galaxies. Bien que ce résultat puisse être expliqué par une modification de la gravitation, cette matière invisible pourrait être plus probablement de l'hydrogène moléculaire très froid, très difficilement détectable contrairement au gaz interstellaire classique. Cette matière serait donc différente de la matière noire des halos qui est supposée être composée de particules exotiques".
Contact :
F. Bournaud, (Sap/DAPNIA/CEA-AIM), P.A. Duc (AIM-Sap/DAPNIA/CEA), E. Brinks (CAR Hatfield), M. Boquiem (Sap/DAPNIA/CEA-AIM), P. Amram (OAMP, Marseille), U. Lisenfeld (CSIC Granada), B. Koribalski (CSIRO Australia), F. Walter (Max Planck, Heidelberg), V. Charmandaris (IESL Greece)
publié dans la version électronique de la revue Science du 10 Mai 2007 (Science Express)
pour une version électronique de l'article (fichier PDF- 380 Ko)
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voir : |
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Communiqué de presse CEA, (10 mai 2007 ) |
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Communiqué de presse CNRS (10 Mai 2007 ) |
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Communiqué de presse NRAO/VLA (en anglais) (10 Mai 2007 ) |
voir aussi
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- Andromède frappée en plein coeur (19 octobre 2006) |
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- D'où viennent les galaxies satellites ? (12 juin 2006) |
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- Halos géants autour des galaxies (9 octobre 2003) |
Notes :
[1] Matière noire : Matière inconnue totalement différente de celle que nous connaissons, qui n’émet aucune lumière et qui n’interagit avec la matière des atomes que par la gravitation. Dans la théorie du Big Bang, son existence est indispensable pour expliquer la formation des galaxies. Activement recherchée dans des laboratoires souterrains, elle pourrait être constituée de particules hypothétiques appelées WIMPS (pour Weakly Interactive Massive particules) prédites par certaines théories de la matière.
Rédaction: F. Bournaud, J.M. Bonnet-Bidaud
