Les astronomes ne peuvent s'accorder sur les galaxies sans matière noire

La découverte de deux galaxies fantomatiques dépourvues de matière noire a fait sensation dans la communauté des astronomes. Mais le jury est toujours au courant de ce qui se passe réellement.

Par Jake Parks  | Publié: vendredi 6 septembre 2019

SUJETS CONNEXES: LA MATIÈRE NOIRE | GALAXIES | COSMOLOGIE

NGC1052-DF2 est une grande, mais très diffuse, galaxie située à environ 65 millions d'années-lumière. Cette image de la galaxie, supposée contenir une quantité négligeable de matière noire, a été capturée par la caméra avancée pour les enquêtes sur le télescope spatial Hubble.

NASA / ESA / P. van Dokkum (Université de Yale)

À quelque 60 millions d'années-lumière de la Terre, pas très loin de notre quartier galactique local, une étrange petite galaxie provoque une agitation cosmique. Ce petit univers insulaire contient beaucoup moins d'étoiles que votre galaxie moyenne. Mais ce n'est pas le manque d'étoiles qui surprend les astronomes. La galaxie, surnommée DF2 , semble également manquer de toute quantité significative de matière noire.

Parce que DF2 serait la toute première galaxie connue sans la substance mystérieuse, l'annonce de sa découverte en 2018 s'est rapidement répandue dans la communauté astronomique. Si elle est confirmée, une galaxie sans matière noire nuirait à notre compréhension de la formation et de l'évolution des galaxies. Chaque galaxie que nous connaissons jusqu’à présent contient une part non négligeable de la matière invisible. En trouver une sans cela signifierait alors deux choses: Soit DF2 n’a jamais eu de matière noire pour commencer, soit il est parvenu à jeter sa matière noire au cours de la cours de sa vie.

---

Mais les demandes extraordinaires exigent des preuves extraordinaires. Et selon au moins un groupe de chercheurs, les preuves de la carence en matière noire de DF2 ne résistent pas.

Qu'est-ce que DF2?

DF2 fait partie d'une classe unique de galaxies appelées galaxies ultra-diffuses (UDG). Bien que les UDG puissent atteindre la taille de la Voie lactée - environ 100 000 années-lumière -, ces spectres brumeux contiennent des centaines, voire des milliers de fois moins d'étoiles que notre propre galaxie. Cela les rend essentiellement transparents, ce qui signifie qu'ils sont difficiles à observer en détail par les astronomes.

Pour sonder les propriétés de DF2, les chercheurs de Pieter van Dokkum de l’Université de Yale ont identifié 10 amas globulaires (grands groupes sphériques d’étoiles anciennes) au sein de DF2 et ont mesuré leur vitesse de rotation. À leur grande surprise, ils ont découvert que les amas globulaires bougent à la vitesse d'un escargot par rapport à ce que nous voyons dans d'autres galaxies qui regorgent de matière noire. Cela les a amenés à conclure que DF2 contient au plus une quantité infime de matière noire. Après tout, s’il en avait plus, les grappes se déplaceraient beaucoup plus vite.

Pour déterminer la vitesse de rotation des grappes globulaires autour de DF2, les chercheurs ont analysé les raies d'absorption des spectres pris avec l'observatoire Keck. Cela leur a permis de déterminer la vitesse de chaque groupe, qu'ils ont ensuite utilisée pour calculer la masse totale de la galaxie.

Observatoire Gemini / Observatoire NSM / AURA / WM Keck / Jen Miller / Joy Pollard

Mais tout le monde n'est pas d'accord avec la conclusion de van Dokkum.

"Ce qui a attiré mon attention très tôt, c’est le fait que la galaxie était non seulement anormale car elle ne possédait pas de matière noire, mais aussi une population extraordinairement brillante de grappes globulaires", déclare Ignacio Trujillo, de l’Instituto de Astrofisca de Canarias. a dirigé l’étude principale en repoussant la distance jusqu’à DF2. "Je me souviens d'avoir pensé: 'Deux anomalies à la fois semblent vraiment étranges." Cela a amené Trujillo à se demander si DF2 est vraiment aussi distant que le pense l'équipe de van Dokkum.  

Si DF2 se trouvait à quelque 64 millions d'années lumière de la route, comme le soupçonnait Van Dokkum, alors la galaxie serait un candidat puissant pour le premier exemple de galaxie sans matière noire. Mais Trujillo dit que si DF2 est plus proche, les propriétés observées de la galaxie s'aligneraient plus ou moins sur ce que l'on attend de votre galaxie banale, dominée par la matière noire.

La distance à DF2

Pour tester leur théorie, Trujillo et son équipe ont entrepris de déterminer leurs propres estimations de distance par rapport à DF2 en utilisant cinq méthodes différentes, toutes avec des degrés de fiabilité différents.

Deux des méthodes reposaient sur l'analyse de la luminosité et de la taille des grappes globulaires de DF2. Selon le camp de courte distance, si DF2 est un peu plus proche que prévu initialement, les amas globulaires de la galaxie ne seraient plus étrangement grands et brillants. Ils ont également comparé les propriétés de DF2 à une galaxie similaire, appelée DD044, qui offre une estimation de distance plus fiable, et ont recalculé la distance de DF2 en utilisant la même méthode que l'équipe d'origine.

Enfin, l'équipe de Trujillo a analysé la branche du géant rouge (TRGB) dans le diagramme couleur-magnitude (CMD) de DF2 , qui représente les températures et les luminosités des étoiles d'une galaxie. Étant donné que les étoiles géantes rouges les plus brillantes brillent toutes avec la même luminosité réelle lorsqu'elles sont observées en infrarouge, la seule chose qui devrait avoir un impact important sur la luminosité qu'elles nous paraissent est leur distance.

"C’est de loin le moyen le plus précis de mesurer la distance jusqu’à la galaxie si les données sont de bonne qualité", déclare Trujillo . Sur la base des cinq méthodes, Trujillo et son équipe estiment que DF2 n’est probablement qu’à environ 42 millions d’années-lumière, au lieu de l’estimation initiale de 64 millions d'années-lumière.

Mais van Dokkum n'est pas convaincu par cette détermination de distance concurrente.

L'année dernière, son équipe a publié un autre article en réponse. Leur résultat: DF2 est à environ 61 millions d'années-lumière, ce qui voudrait dire que DF2 contient toujours une quantité négligeable de matière noire.

 Les astronomes déduisent l'existence de la matière noire en se basant en grande partie sur le fait que les courbes de rotation de la galaxie ne sont pas ce à quoi on pourrait s'attendre sans une certaine forme de masse cachée répandue dans toute la galaxie. Dans cette simulation, la galaxie de gauche montre à quoi ressemblerait la rotation sans les effets de la matière noire, tandis que celle de droite montre la rotation de la matière noire. Notez que les étoiles et les gaz à l’extérieur de la galaxie droite s’enroulent beaucoup plus rapidement que ceux de la galaxie gauche.

Ingo Berg / Wikimedia Commons

Qu'en est-il de DF4?

Mais le débat ne s'est pas arrêté là.

Après ces échanges académiques, van Dokkum et son équipe ont découvert une autre galaxie, DF4 , qui semble également manquer de matière noire. En mesurant la répartition de la lumière de DF4 dans la galaxie, van Dokkum a déterminé que la distance de DF4 était similaire à celle de DF2 - environ 65 millions d'années-lumière.  

Mais Trujillo et son équipe ont depuis publié leur propre analyse de la distance de DF4 en utilisant la méthode TRGB. Ils y concluent que DF4 se trouve à seulement 44 millions d'années-lumière, ce qui rendrait les amas globulaires de DF4 plus similaires à ceux de la Voie Lactée. "En tout", concluent-ils dans le document, "la proposition selon laquelle [DF2] et [DF4] sont" manquant de matière noire "est encore loin d'être placée sur des bases sûres."

Bien que la réponse à la question de savoir si les galaxies ont de la matière noire ou non est encore en suspens, le discours entre les deux équipes donne un aperçu réel du processus scientifique en action.

«Le point le plus large est que ce sont des galaxies fascinantes et que tous les aspects de nos découvertes devraient certainement être remis en question et examinés», a déclaré van Dokkum.  

Et il peut y avoir une réponse définitive à l'horizon.

Récemment, l’équipe de van Dukkum a obtenu un temps d’observation avec le télescope spatial Hubble. Ils s'attendent à ce que les nouvelles observations les aident à déterminer la distance de DF4 à 5% environ. Donc, pour le moment, les équipes de van Dokkum et de Trujillo attendent simplement de se plonger dans les nouvelles données.

Et quand ils le feront, nous pourrons enfin savoir si des galaxies sans matière noire peuvent réellement exister ou si certaines galaxies se révèlent tout simplement très efficaces pour cacher la substance déjà furtive.

Source : http://www.astronomy.com