Le 29.06.2018:La galaxie fantomatique dépourvue de matière noire

Pour la première fois, les astronomes ont identifié une galaxie faible et diffuse qui semble contenir très peu de matière noire, voire aucune.

NGC1052-DF2 est une grande galaxie très diffuse située à quelque 65 millions d'années-lumière. Cette image de la galaxie, dont on pense qu'elle contient une quantité négligeable de matière noire, a été capturée par la caméra perfectionnée des levés du télescope spatial Hubble.

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

La matière noire est l'un des éléments les plus importants - mais les moins compris - de notre univers. On pense que ce type de matière gravitationnelle, mais optiquement insaisissable, représente 85% de la masse de l'univers et est supposé former les fondements sous-jacents sur lesquels toutes les galaxies sont construites. Mais dans une étude publiée le 28 mars dans la revue Nature , une équipe d'astronomes a découvert la première galaxie qui manquait d'une quantité importante de matière noire. 

"Nous avons pensé que chaque galaxie avait de la matière noire et que la matière noire est la façon dont une galaxie commence", a déclaré l'auteur principal, Pieter van Dokkum, astrophysicien à l'université de Yale, dans un communiqué de presse.. "Cette substance invisible et mystérieuse est l'aspect le plus dominant de toute galaxie. Donc, trouver une galaxie sans elle est inattendu. Il remet en question les idées standard sur la façon dont nous pensons que les galaxies fonctionnent, et il montre que la matière noire est réelle: elle a sa propre existence séparée des autres composants des galaxies. » 

La galaxie bizarre en question, NGC1052-DF2 (ou DF2) , est une petite galaxie dans une collection de galaxies dominée par le plus grand elliptique NGC 1052. La galaxie relativement inoffensive DF2 ne s'est distinguée aux chercheurs quand ils ont remarqué qu'elle apparaissait différemment dans les images prises par le Dragonfly Telephoto Array et celles prises par le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Dans les images Dragonfly, DF2 ressemblait à une goutte de lumière diffuse et faible, mais dans les images SDSS, il apparaissait comme un groupe de sources ponctuelles.
 
Pour enquêter, l'équipe a observé DF2 en utilisant la caméra avancée pour les levés du télescope spatial Hubble (HST) et a effectué des observations spectroscopiques de suivi avec l'observatoire WM Keck de 10 mètres. "J'ai passé une heure à regarder l'image de Hubble", a déclaré van Dokkum. "C'est tellement rare, particulièrement ces jours-ci après tant d'années de Hubble, que vous obtenez une image de quelque chose et que vous disiez:" Je n'ai jamais vu ça auparavant. " Cette chose est étonnante: un blob gigantesque que vous pouvez regarder à travers. C'est si rare que vous voyez toutes les galaxies derrière. En utilisant les données de Hubble, les chercheurs ont pu déterminer que DF2, qu'ils considèrent comme une galaxie ultra-diffuse en raison de sa grande taille et de son apparence transparente, est située à environ 65 millions d'années-lumière. . Bien que la galaxie soit à peu près aussi grande que la Voie Lactée,
 
Sur la base des données spectroscopiques recueillies par l'équipe avec Keck, ils ont identifié 10 amas globulaires - grands groupes sphériques d'étoiles typiquement vieilles - à la périphérie de DF2. Étonnamment, ils ont trouvé que tous ces amas globulaires tournaient autour de DF2 trois fois plus lentement qu'ils ne le seraient si la galaxie contenait une quantité typique de matière noire en plus de sa quantité clairsemée de matière normale. Les chercheurs ont ensuite calculé la masse globale de la galaxie et ont constaté que, "s'il y a une matière sombre du tout, c'est très peu", a déclaré van Dokkum. "Les étoiles dans la galaxie peuvent expliquer toute la masse, et il ne semble pas y avoir de place pour la matière noire."

Pour déterminer avec quelle rapidité les amas globulaires tournaient autour de DF2, les chercheurs ont analysé les raies d'absorption des spectres pris avec l'observatoire de Keck. Cela leur a permis de déterminer la vitesse de chaque grappe, qu'ils ont ensuite utilisée pour calculer la masse globale de la galaxie.

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

La découverte que DF2 a apparemment très peu, voire pas du tout, de la matière noire a pris les chercheurs au dépourvu parce que c'est la première galaxie qui manque de matériel envahissant. "Il n'y a pas de théorie qui prédit ces types de galaxies. La galaxie est un mystère complet, car tout est étrange ", a déclaré van Dokkum. "Comment vous allez réellement à propos de la formation de l'une de ces choses est complètement inconnue."

Cependant, comme c'est habituellement le cas, les chercheurs ont quelques idées sur la formation initiale de la galaxie. Un scénario possible qu'ils exposent dans le document est que DF2 est en fait une galaxie naine de marée. Ce type de galaxie peut se former lors de fusions galactiques, qui jettent souvent des matériaux baryoniques - matière ordinaire constituée de protons, de neutrons et d'électrons. Cependant, DF2 semble avoir moins de métaux que prévu pour une galaxie naine marémotrice. Une autre option est que la galaxie s'est formée lorsque les vents d'un quasar proche ont balayé de gros nuages ​​de gaz à faible métallicité, mais les chercheurs soulignent que la galaxie peut être trop diffuse pour que ce soit un scénario probable. Enfin, les chercheurs suggèrent que DF2 pourrait s'être formé lorsque des portions de gaz s'écoulant vers NGC 1052 se sont détachées en raison des chocs induits par le jet provenant du trou noir de la plus grande galaxie.

Peu importe comment DF2 s'est formé, les résultats de l'équipe démontrent que la matière noire est en effet un bloc de construction physique qui peut être séparé de la matière baryonique, et, par conséquent, les résultats mettent également en doute certaines théories alternatives à la matière noire. Une telle théorie est connue sous le nom de dynamique newtonienne modifiée (MOND), qui vise à éliminer le besoin de matière noire en proposant que la force gravitationnelle agisse différemment sur les objets à faible accélération, comme ceux qui se trouvent à la périphérie des galaxies. 
 
"Ce résultat pose un très grand défi à MOND", a expliqué Yotam Cohen, étudiant diplômé en astronomie à Yale et co-auteur de l'étude, sur le site de partage de nouvelles Reddit. "Dans MOND, les forces gravitationnelles supplémentaires observées sur les échelles galactiques sont tissées dans les équations, signifiant que partout où vous voyez des galaxies, vous devriez voir l'effet de la gravité modifiée. Cependant, dans cette galaxie, il n'y a pas besoin de la gravité supplémentaire pour expliquer sa cinématique. En d'autres termes, cela suggère que les galaxies et la matière noire sont des composants séparables et, par extension, que la matière noire est une substance matérielle, ce qui est l'opinion de la majorité des astronomes professionnels. "
 
Mais avant que les astronomes puissent tirer des conclusions générales sur la vraie nature de notre univers, les résultats extraordinaires de l'étude doivent d'abord être vérifiés et reproduits. À ce stade, l'équipe est déjà occupée à analyser plus d'images de Hubble de galaxies faibles et diffuses similaires à DF2. "Nous avons actuellement un échantillon d'environ 20 autres galaxies à faible brillance de surface identifiées avec Dragonfly et suivies par la suite avec l'imagerie HST", a déclaré M. Cohen à Astronomypar courriel. «Parmi ces objets, certains ont une luminosité et une structure similaires à celles de NGC1052-DF2, mais aucun n'est aussi spectaculaire et aucun ne compte autant de candidats-étoiles». 

Bien que notre compréhension actuelle de la matière noire ait été contestée récemment - comme la conclusion queles galaxies satellites se déplacent ensemble de manière ordonnée plutôt qu'aléatoire, comme le prédisent les modèles de la matière noire - ce n'est pas nécessairement une mauvaise chose. Au lieu de cela, cela signifie simplement que notre compréhension actuelle de la matière noire n'est pas tout à fait correcte. Cela ne devrait pas être une surprise complète, étant donné que nous n'avons pas encore détecté de preuves directes du matériel insaisissable. Des résultats confus obligent les scientifiques à examiner un problème de différentes manières, ce qui les amène généralement à réviser et à mettre à jour leurs théories pour mieux décrire la réalité. 

Après tout, pour paraphraser Isaac Asimov, la phrase la plus excitante à entendre en science n'est pas «Eureka», mais plutôt «hmm ... c'est bizarre».