Tout comme les ondulations dans un étang indiquent que quelqu'un a jeté une pierre, fait courir un compteur d'eau ou a sauté une grenouille, l'existence d'une substance mystérieuse - la matière noire - est déterminée par sa vaste influence sur l'espace. Les astronomes ne peuvent pas l'observer directement, mais la gravité de la matière noire détermine la naissance, la forme et le mouvement des galaxies. Cela rend la découverte de l'année dernière complètement inattendue: dans une étrange galaxie diffuse, aucune matière noire n'a été trouvée. Pensez-vous que c'est tout? Peu importe comment c'est.
Galaxies sans matière noire
Plusieurs chercheurs ont salué cette découverte. D'autres ont exprimé leurs doutes en critiquant la mesure des distances et des mouvements de la galaxie. L'enjeu est de taille: s'il y a effectivement un manque de matière noire dans cette galaxie, cela confirmera paradoxalement l'existence de cette matière.
Et ainsi, l'équipe d'origine a acquis des preuves supplémentaires pour étayer sa découverte originale. De plus, une deuxième galaxie a été découverte avec des symptômes similaires. Là où il y avait une galaxie ultradiffus sans matière noire (à première vue), il y en a maintenant deux.
«Un objet peut toujours être considéré comme une licorne, mais une fois que vous avez trouvé deux licornes, vous commencez à vous interroger sur l'existence possible de licornes», explique Michael Boylan-Kolchin, astronome à l'Université du Texas à Austin, qui n'a pas participé à l'étude. "Et puis vous commencez à penser à leur origine, à leurs propriétés et à leur fréquence."
Trouver des licornes
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Les deux galaxies qui nous intéressent sont très faibles et éloignées de la Terre: les photons de leurs amas d'étoiles ont commencé à voyager vers notre planète dans les derniers jours du règne des dinosaures, il y a environ 65 millions d'années. La première galaxie NGC 1052-DF2 a la taille de la Voie lactée, mais contient 100 fois moins d'étoiles. La nouvelle galaxie NGC 1052-DF4 est située dans la même région du ciel et a à peu près la même taille et la même masse.
En mars de l'année dernière, des scientifiques dirigés par Shani Danieli et Peter van Dokkum de l'Université de Yale ont publié une étude estimant la taille de NGC 1052-DF2 en observant sa lumière des étoiles, ainsi que les mouvements des amas d'étoiles qui l'entourent. Si NGC 1052-DF2 contenait autant de matière noire que les astronomes en attendraient normalement, la matière noire augmenterait les vitesses orbitales de ces phénomènes stellaires. Mais ils se déplacent lentement, ce qui suggère qu'il n'y a pas de matière noire. Les critiques soutiennent que les vitesses de ces amas d'étoiles ont été mal calculées - et même si elles étaient correctes, la taille de l'échantillon de seulement 10 amas d'étoiles était trop modeste pour déterminer de manière fiable le stock de matière noire de NGC 1052-DF2.
En octobre, Danieli a décidé de s'attaquer à ce problème en utilisant une technique différente. Elle a pris le Keck Cosmic Web Imager, un nouvel instrument récemment installé derrière le miroir principal géant de 10 mètres du télescope Keck à Hawaï. Cet instrument peut mesurer la lumière d'objets très faibles avec une résolution extrêmement élevée, ce qui le rend idéal pour étudier les galaxies ultradiffusées telles que NGC 1052-DF2. Cet outil était si bon que Danieli n'avait plus à étudier les mouvements de l'amas d'étoiles pour déterminer la masse de la galaxie. Au lieu de cela, elle pouvait obtenir de la masse directement, en utilisant directement la lumière des étoiles de la galaxie.
En termes d'informations, starlight en contient beaucoup. En séparant la lumière en ses couleurs constitutives (c'est ce qu'on appelle la spectroscopie), les scientifiques peuvent déterminer la composition d'une étoile, son âge, sa direction dans l'espace et sa vitesse. La plupart de ces informations sont transmises sous forme de raies spectrales - des éléments linéaires intégrés dans le spectre d'une étoile en raison de l'émission ou de l'absorption de divers éléments chimiques. L'instrument de 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 autre - plus la vitesse des étoiles est étendue.
«À notre propre surprise, nous avons mesuré des raies spectrales extrêmement étroites qui laissent très peu de place pour plus de masse autre que la masse que les étoiles apportent dans la galaxie», explique Danieli. Il n'y a tout simplement pas de place pour la matière noire.
Pendant ce temps, Erik Emsellem de l'Observatoire européen austral et ses collègues ont exploré la galaxie avec le très grand télescope dans le désert d'Atacama au Chili. Ils ont également découvert une dispersion à faible vitesse qui soutient le scénario de matière noire manquante.
Nicholas Martin, astronome à l'Université de Strasbourg en France, était l'un des critiques de l'article original. Dans un article de suivi publié l'année dernière, il a fait valoir qu'il était trop difficile d'estimer la masse de la galaxie DF2 sur la base des mouvements de l'amas d'étoiles environnantes. Mais Martin se dit rassuré par les derniers résultats de Danieli et Emsell.
«Cela est devenu possible grâce à de nouveaux instruments arrivés sur les plus grands télescopes de la planète. Et, pour être honnête, il y a un an, il n'était pas évident pour moi que ce serait faisable. Il y a un an, je n'étais pas prêt à dire que ce système serait carrément nécessairement étrange, car il me semblait que les mesures n'étaient pas entièrement étayées par les données. Mais maintenant qu'il y a deux équipes différentes qui ont mesuré la plage de vitesse des étoiles elles-mêmes, je pense qu'il devient évident qu'il y a une bizarrerie."
Les découvertes de Danieli ont été présentées lors d'une conférence sur la matière noire à l'Université de Princeton et seront publiées dans l'Astrophysical Journal Letters.
Dans l'ensemble, ses recherches suggèrent qu'il existe toute une classe de galaxies pauvres en matière noire.
À la recherche de la matière manquante
Certains astronomes se creusent la cervelle sur la façon dont de telles galaxies pourraient se former et où la matière noire est allée. Boylan-Kolchin dit qu'une possibilité est l'attraction gravitationnelle d'une galaxie voisine beaucoup plus grande, séparée de la matière noire. Ou DF2 et DF4 ne sont peut-être pas du tout des galaxies, mais de modestes collections d'étoiles déguisées en galaxies; dans ce cas, ces groupes isolés d'étoiles pourraient se former à partir de jets de gaz en collision s'échappant ailleurs. Ou il peut y avoir des scénarios encore plus ennuyeux, par exemple, l'orientation des galaxies par rapport à la Terre, ce qui nuit à l'obtention de mesures spectrales précises de leurs mouvements.
Une chose est sûre: si aucun doute sérieux ne surgit, l'absence de matière noire dans les galaxies montrera de manière convaincante que cette matière est séparable des étoiles, du gaz, de la poussière et d'autres matières ordinaires. Et cela, à son tour, renforcera l'argument en faveur de l'existence de la matière noire.
À ce jour, personne n'a vraiment découvert la matière noire, malgré des décennies d'intenses recherches. Le manque de preuves a incité certains astrophysiciens à rechercher des moyens alternatifs pour sculpter les galaxies et contrôler leur mouvement grâce à l'émergence d'hypothèses telles que «la gravité émergente» et «la dynamique newtonienne modifiée». Les partisans de ces hypothèses affirment que la plupart des astronomes pensent que la matière noire peut être un phénomène qui découle de la physique que nous ne comprenons pas entièrement. Mais dans ce cas, ces étranges galaxies parleront en faveur du fait que les alternatives sont fausses et que la matière noire peut bien en être la cause.
Ilya Khel
