La matière noire auto-interactive aide à expliquer la formation des galaxies pauvres en matière noire.

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La théorie dite de l’auto-interaction de la matière noire aide à expliquer pourquoi NGC 1052-DF2 et NGC 1052-DF4, une paire de galaxies ultra-diffuses situées à environ 65 millions d’années-lumière de la constellation de Cetus, contiennent peu de matière noire.

Le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA a pris cette image de NGC 1052-DF2 le 16 novembre 2017. Crédit image : NASA / ESA / P. van Dokkum, Université de Yale.

Le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA a pris cette image de NGC 1052-DF2 le 16 novembre 2017. Crédit image : NASA / ESA / P. van Dokkum, Université de Yale.

La théorie dominante de la matière noire, connue sous le nom de matière noire froide, ou MDP, suppose que les particules de matière noire sont sans collision, hormis la gravité.

Une théorie plus récente, appelée matière noire auto-interactive, ou SIDM, propose que les particules de matière noire s’auto-interagissent grâce à une nouvelle force noire.

Les deux théories expliquent comment la structure globale de l’Univers émerge, mais elles prédisent des distributions différentes de matière noire dans les régions internes d’une galaxie.

La théorie SIDM suggère que les particules de matière noire entrent fortement en collision les unes avec les autres dans le halo interne d’une galaxie, près de son centre.

Typiquement, une galaxie visible est hébergée par un halo invisible de matière noire. Des observations récentes de NGC 1052-DF2 et NGC 1052-DF4 (DF2 et DF4 en abrégé) montrent cependant que ces galaxies ultra-diffuses contiennent très peu, voire pas du tout, de matière noire.

“On pense généralement que la matière noire domine la masse globale d’une galaxie”, a déclaré le Dr Hai-Bo Yu, chercheur au département de physique et d’astronomie de l’Université de Californie, Riverside.

“Les observations de DF2 et DF4 montrent cependant que le rapport entre leur matière noire et leurs masses stellaires est d’environ 1, ce qui est 300 fois plus faible que prévu.”

“Pour résoudre cette divergence, nous avons considéré que les halos DF2 et DF4 pouvaient perdre la majorité de leur masse par des interactions de marée avec la galaxie massive NGC 1052.”

Cette image Hubble montre la galaxie ultra-diffuse NGC 1052-DF4 ; les objets mis en évidence sont des amas globulaires. Crédit image : van Dokkum et al, doi : 10.3847/2041-8213/ab0d92.

Cette image Hubble montre la galaxie ultra-diffuse NGC 1052-DF4 ; les objets mis en évidence sont des amas globulaires. Crédit image : van Dokkum et al, doi : 10.3847/2041-8213/ab0d92.

À l’aide de simulations sophistiquées, le Dr Yu et ses collègues de l’Université de Tsinghua ont reproduit les propriétés de DF2 et DF4 par le biais du tidal stripping – l’enlèvement de matière par les forces de marée galactiques – de NGC 1052.

Comme les galaxies satellites ne peuvent pas retenir la masse enlevée par leurs propres forces gravitationnelles, elle est effectivement ajoutée à la masse de NGC 1052.

Les chercheurs ont examiné les deux scénarios MDP et SIDM et ont constaté que ce dernier forme des galaxies déficientes en matière noire de manière bien plus favorable que le MDP, car la perte de masse par marée du halo interne est plus importante et la distribution stellaire est plus diffuse dans le SIDM.

“La perte de masse par effet de marée pourrait se produire dans les halos MDP et SIDM”, a déclaré le Dr Yu.

“Dans le MDP, la structure interne du halo est “rigide” et résiliente au stripping de marée, ce qui rend difficile pour un halo MDP typique de perdre suffisamment de masse interne dans le champ de marée pour permettre les observations de DF2 et DF4.”

“En revanche, dans le SIDM, les auto-interactions de la matière noire pourraient pousser les particules de matière noire des régions internes vers les régions externes, rendant le halo interne plus ‘pelucheux’ et augmentant la perte de masse par marée en conséquence. En outre, la distribution stellaire devient plus diffuse.”

“Un halo MDP typique reste trop massif dans les régions internes, même après l’évolution tidale.”

Les travaux de l’équipe ont été publiés dans le journal Physical Review Letters.

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