Selon nos modèles cosmologiques prédominants, la matière noire représente environ 85 % de la masse de l’Univers. Alors que les efforts en cours pour étudier cette masse mystérieuse et invisible n’ont fourni 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 comme celles de l’ESA Euclide et la NASA Nancy Grace Roman télescopes spatiaux, la matière noire ne sera peut-être plus un mystère pour longtemps !
Et puis quelque chose comme ça arrive : une galaxie massive qui semble avoir peu ou pas de matière noire ! C’est précisément ce qu’a remarqué une équipe d’astronomes dirigée par des membres de l’Instituto Astrofisica de Canarias (IAC) en observant 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 qu’une galaxie massive a été découverte qui ne montre pas de signes de matière noire, ce qui est un sérieux défi pour nos modèles cosmologiques actuels.
La recherche a été dirigée par Sébastien Comerón, un astronome extragalactique de l’Universidad de La Laguna (ULL), l’IAC, et le chef de la collaboration Archéologie des disques épais (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 qui décrit leurs découvertes est récemment paru dans la revue Astronomie et astrophysique.
Selon le modèle standard de cosmologie – alias. le modèle Lambda Cold Dark Matter (?CDM) – La matière noire a joué un rôle intrinsèque dans la formation et l’évolution du cosmos (et le fait toujours). En théorie, cette masse invisible existait peu de temps après le Big Bang et formait des halos qui attiraient l’hydrogène gazeux 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, le DM est un composant majeur de toutes les galaxies massives et se manifeste par leurs courbes de rotation, les lentilles qu’ils 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. De cela, ils ont déduit que le DM ne pouvait pas représenter plus de 5% de la masse de la galaxie dans le rayon observé – bien que leurs observations aient indiqué qu’il pourrait n’y avoir aucun DM du tout. Comme Comerón l’a expliqué dans un récent communiqué de presse de l’IAC :
« Ce résultat ne correspond pas aux 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 a été la raison pour laquelle nous avons décidé d’observer NGC 1277 avec un spectrographe de champ intégral. A partir des spectres, nous avons réalisé des cartes cinématiques qui nous ont permis de déterminer la distribution de masse au sein de la galaxie jusqu’à un rayon d’environ 20 000 années-lumière.
Dans leur 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 restes de galaxies géantes qui se sont formées peu après le Big Bang. Cependant, le modèle ?CDM prédit que la DM devrait représenter au moins 10 % des galaxies aussi massives que NGC 1277, avec un maximum de 70 % pour ce type particulier. Selon la co-auteure Anna Ferré-Mateu, chercheuse à l’IAC et à l’ULL, il y a deux explications possibles à cet écart:
“La première 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 lorsque la galaxie s’est formée par la fusion de fragments protogalactiques, ce qui a donné naissance à la galaxie relique ».
Cependant, aucune de ces explications n’est entièrement satisfaisante en ce qui concerne l’équipe. Dans un avenir proche, l’équipe prévoit d’approfondir le mystère en effectuant des observations avec l’instrument WHT Enhanced Area Velocity Explorer (WEAVE) 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 de WEAVE devaient confirmer 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). Dit Trujillo :
« Cet écart entre les observations et ce à quoi nous nous attendions est un casse-tête, et peut-être même un défi pour le modèle standard. Bien que la matière noire dans une galaxie spécifique puisse être perdue, une loi de gravité modifiée 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 éclairer le trou noir supermassif (SMBH) particulièrement énorme de la galaxie, qui représente environ 17 milliards de masses solaires, soit 4 250 fois celui du Sagittaire A* (le SMBH au centre de la Voie lactée) ! Selon certains astronomes, les trous noirs pourraient être la source de DM, qui s’est formé à partir de l’effondrement de DM Halos au début de l’Univers. Il y a aussi le mystère des galaxies de la matière noire, comme le cas curieux de FAST J0139+4328, qui sont presque entièrement composées de DM.
Des missions de nouvelle génération comme Euclide et le Nancy Grace Roman les télescopes spatiaux apporteront également de nouvelles perspectives 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 la plus grande des échelles cosmiques. Les résultats de ces études et d’autres régleront le débat en cours en révélant soit qu’une mystérieuse masse invisible existe, soit que notre compréhension de la gravité (telle que décrite par la relativité générale) doit être révisée.
Lectures complémentaires : IAC, Astronomie & Astrophysique
