Mystère géant : Cette immense galaxie semble ne pas avoir de matière noire

Selon nos modèles cosmologiques prédominants, la matière noire représente environ 85 % de la masse de l’Univers.

Image de NGC 1277 prise par le télescope spatial Hubble. (ESA/Hubble)

Bien que les efforts déployés pour étudier cette masse mystérieuse et invisible n’aient abouti à aucune preuve directe, les astrophysiciens ont pu mesurer son influence en observant les halos de matière noire, les lentilles gravitationnelles et l’effet de la relativité générale sur les structures cosmiques à grande échelle.

Et avec l’aide de missions de nouvelle génération telles que les télescopes spatiaux Euclid de l’ESA et Nancy Grace Roman de la NASA, la matière noire pourrait ne plus être un mystère très longtemps !

C’est alors que survient un événement comme celui-ci : une galaxie massive qui semble n’avoir que peu ou pas de matière noire ! C’est précisément ce qu’une équipe d’astronomes dirigée par des membres de l’Instituto Astrofisica de Canarias (IAC) a remarqué en observant la galaxie NGC 1277.

Cette galaxie lenticulaire, située à 240 millions d’années-lumière dans la constellation de Persée, est plusieurs fois plus massive que la Voie lactée.

C’est la première fois que l’on trouve une galaxie massive qui ne présente pas de signes de matière noire, ce qui constitue un sérieux défi pour nos modèles cosmologiques actuels.

Les recherches ont été menées par Sébastien Comerón, astronome extragalactique à l’Universidad de La Laguna (ULL), à l’IAC et à la tête de la collaboration Archæology of Thick discs (ArcThick).

Il a été rejoint par des chercheurs de l’Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), du Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, de l’Académie nationale des sciences d’Ukraine, de l’Instituto de Física de Partículas y del Cosmos (IPARCOS), de l’Institut Max Planck d’Astronomie (MPA) et de plusieurs universités. L’article décrivant leurs résultats a récemment été publié dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Selon le modèle standard de la cosmologie – alias le modèle de la matière noire froide lambda (ΛCDM) – la matière noire a joué un rôle intrinsèque dans la formation et l’évolution du cosmos (et continue de le faire).

En théorie, cette masse invisible existait peu après le Big Bang et formait des halos qui attiraient le gaz d’hydrogène neutre dans des disques tourbillonnants. Ce gaz a été entraîné dans des nuages de plus en plus denses, déclenchant la formation des premières étoiles et galaxies.

Aujourd’hui, la DM est une composante majeure de toutes les galaxies massives, comme en témoignent leurs courbes de rotation, les lentilles qu’elles créent et leurs interactions avec les étoiles environnantes et le milieu intergalactique (IGM).

Cependant, lorsque l’équipe a mesuré la distribution de masse de NGC 1277, elle n’a observé que la distribution de l’étoile. Ils en ont déduit que la DM ne pouvait pas représenter plus de 5 % de la masse de la galaxie dans le rayon observé – bien que leurs observations indiquent qu’il pourrait ne pas y avoir de DM du tout. Comme l’a expliqué M. Comerón dans un récent communiqué de presse de l’IAC :

« Ce résultat ne cadre pas avec les modèles cosmologiques actuellement acceptés, qui incluent la matière noire. L’importance des galaxies reliques pour nous aider à comprendre comment les premières galaxies se sont formées est la raison pour laquelle nous avons décidé d’observer NGC 1277 à l’aide d’un spectrographe à champ intégral. À partir des spectres, nous avons établi des cartes cinématiques qui nous ont permis de déterminer la distribution de la masse dans la galaxie jusqu’à un rayon de quelque 20 000 années-lumière. »

Dans son article, l’équipe décrit NGC 1277 comme un prototype de « galaxie relique », une classe très rare qui n’interagit pas avec les galaxies voisines. On pense que ces galaxies sont les vestiges de galaxies géantes qui se sont formées peu après le Big Bang.

Cependant, le modèle ΛCDM prédit que le DM devrait être à l’origine d’au moins 10 % des galaxies aussi massives que NGC 1277, avec un maximum de 70 % pour ce type particulier de galaxie. Selon Anna Ferré-Mateu, chercheuse à l’IAC et à l’ULL et co-auteure de l’étude, il y a deux explications possibles à cette divergence :

« L’une est que l’interaction gravitationnelle avec le milieu environnant au sein de l’amas de galaxies dans lequel cette galaxie est située a éliminé la matière noire. L’autre est que la matière noire a été chassée du système lors de la formation de la galaxie par la fusion de fragments protogalactiques, ce qui a donné naissance à la galaxie relique. »

Cependant, aucune de ces explications n’est pleinement satisfaisante pour l’équipe.

Dans un avenir proche, l’équipe prévoit d’approfondir le mystère en effectuant des observations avec l’instrument WEAVE (WHT Enhanced Area Velocity Explorer) sur le télescope William Herschel (WHT), situé à l’observatoire Roque de los Muchachos sur l’île de La Palma.

Si les mesures de vitesse effectuées par WEAVE confirment que NGC 1277 n’a pas de DM, cela pourrait jeter un sérieux doute sur les théories alternatives, telles que la dynamique newtonienne modifiée (MOND), explique Trujillo :

« Cette divergence entre les observations et ce à quoi nous nous attendions est une énigme, voire un défi pour le modèle standard. Bien que la matière noire d’une galaxie donnée puisse être perdue, une loi modifiée de la gravité doit être universelle, elle ne peut pas avoir d’exceptions, de sorte qu’une galaxie sans matière noire est une réfutation de ce type d’alternatives à la matière noire. »

Ces observations pourraient également nous éclairer sur le trou noir supermassif (SMBH) particulièrement gigantesque de la galaxie, qui atteint environ 17 milliards de masses solaires, soit 4 250 fois celle de Sagittarius A* (le SMBH situé au centre de la Voie lactée).

Selon certains astronomes, les trous noirs pourraient être la source du DM, qui s’est formé à partir de l’effondrement des halos de DM au début de l’Univers. Il y a aussi le mystère des galaxies à matière noire, comme le cas curieux de FAST J0139+4328, qui sont presque entièrement composées de matière noire.

Les missions de nouvelle génération, comme Euclid et les télescopes spatiaux Nancy Grace Roman, apporteront également un éclairage nouveau en examinant l’expansion du cosmos depuis le Big Bang. Ces observations visent à mesurer l’influence de la matière noire (et de l’énergie noire) sur les plus grandes échelles cosmiques.

Les résultats de ces études et d’autres encore trancheront le débat en cours en révélant soit l’existence d’une mystérieuse masse invisible, soit la nécessité de revoir notre conception de la gravité (telle qu’elle est décrite par la relativité générale).

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Source : Universe Today – Traduit par Anguille sous roche