Les mystérieuses galaxies ultra-diffuses : une preuve ou une réfutation de la matière noire ?

Pour les 20 ans de Futura, plusieurs des personnalités qui nous soutiennent se voient donner la possibilité de proposer un éditorial, en l'occurrence plusieurs articles sur des thèmes précis. C'est ainsi que nous avons l'honneur de présenter celui choisi par Françoise Combes, astrophysicienne au Laboratoire d'études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphèresatmosphères, membre de l'Académie des Sciences, titulaire depuis 2014 de la chaire Galaxies et cosmologie au Collège de France et lauréate de la médaille d'or du CNRS 2020.

Elle a démarré sa carrière en passant une thèse en cosmologie sous la direction d'une légende de l'astrophysique française hélas décédée : Evry Schatzman. Il s'agissait de comprendre l'énigme, toujours non résolue aujourd'hui, de la disparition de l'antimatière du Big BangBig Bang, au moins dans l'Univers observable. La physiquephysique connue prédit en effet qu'autant de matière que d'antimatière aurait dû être produite à ce moment-là, une symétrie qui semble être brisée.

La chercheuse s'est orientée ensuite vers l'étude de la chimiechimie du milieu interstellaire dans les galaxiesgalaxies grâce à la radioastronomie et, finalement, dans l'étude de ces galaxies elles-mêmes, notamment à l'aide de simulations numériquessimulations numériques.

Aujourd'hui, elle est devenue une des experts de l'énigme de la matière noirematière noire dans les galaxies, matière noire dont on ne sait toujours pas si elle existe et si la solution des problèmes qu'elle donne en astrophysique et cosmologie ne doit pas finalement être cherchée dans une autre direction. On envisage ainsi à sa place des modifications des lois de la gravitation et de la mécanique céleste dans le cadre phénoménologique proposé en 1982 par Mordehai Milgrom, alors à l'Institut Weizmann en Israël, et pendant un congé sabbatique à l'Institut d'études avancées de Princeton. Il s'agit de la théorie Mond (acronyme en anglais de Modified Newtonian DynamicsModified Newtonian Dynamics, pour Dynamique Newtonienne Modifiée en français).

Sur ce schéma, est représentée en pointillés la courbe des vitesses de rotation des étoiles dans une galaxie déduite de la répartition de ces étoiles dans le disque. Les observations  exploitant l'effet Doppler ne valident pas cette déduction. En effet, les étoiles détectées dans le visible tournent plus vite en bordure des galaxies, tout comme les nuages d'hydrogène repérés grâce à la fameuse raie à 21 cm. Les vitesses sont ici en km/s et les distances en milliers d'années-lumière (ly sur le schéma). © Wikipédia, DP

Rappelons rapidement que plusieurs observations montrent des mouvementsmouvements de matière, que ce soit des massesmasses de gazgaz, des étoilesétoiles ou des galaxies, qui semblent indiquer qu'il existe beaucoup plus de matière sous forme non lumineuse -- exerçant des forces gravitationnellesforces gravitationnelles à l'origine de ces mouvements -- que de matière lumineuse.

Des considérations tirées de l'étude de la plus vieille lumièrelumière du cosmoscosmos, le rayonnement fossilerayonnement fossile, et de l'origine des éléments légers sous forme d'isotopesisotopes de l'hydrogènehydrogène et de l'héliumhélium formés par la nucléosynthèsenucléosynthèse du Big Bang, nous indiquent que cette matière ne devrait pas être constituée des particules que nous connaissons dans le Système solaireSystème solaire et qui forment le Soleil et les atomesatomes de notre corps.

Mais certains chercheurs préfèrent modifier les lois de la gravitation plutôt que de postuler l'existence de particules qui restent insaisissables malgré des décennies de recherche, directement sur Terre dans des accélérateurs (comme le LHCLHC), dans des détecteurs enterrés comme Xenon 1T ou indirectement dans l'espace comme avec AMS.

Une nouvelle physique est nécessaire pour comprendre le monde des galaxies

Ces deux paradigmes, matière noire et Mond, sont des sujets brûlants d'actualité car ils supposent une nouvelle physique encore à définir et que l'on chasse depuis des décennies, hélas sans succès pour le moment. Futura leur a consacré plusieurs articles depuis sa création, dont nous allons reprendre partiellement le contenu, avec notamment des interviews de Richard Taillet et Benoît Famaey coauteur avec son collègue Stacy McGaugh d'un article de fond sur Mond pour Living Reviews in Relativity.

Pour le grand public, Françoise CombesFrançoise Combes a consacré un ouvrage entier à ces questions qui sont au cœur de notre compréhension de la naissance et de l'évolution des galaxies, en parallèle avec celles des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs qu'elles hébergent.

Or, ces dernières années, l'étude de galaxies exotiquesexotiques encore mystérieuses et appelées des « galaxies ultra-diffuses », ou UDG (Ultra Diffuse Galaxies en anglais), ainsi baptisées par l'astronomeastronome Pieter van Dokkum, de l'université de Yale, a jeté un pavé dans une mare déjà bien glauqueglauque. Le premier exemple d'UDG a été découvert dans l'amas de la Vierge par Allan Sandage et Bruno Binggeli en 1984. Ces astresastres questionnent la théorie de la naissance des galaxies basée sur l'existence de la matière noire dans le cadre du modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard dont l'un des principaux architectesarchitectes est le prix Nobel de physique James Peebles.

Enfin, et peut-être surtout, on se demande si certaines d'entre elles ne sont pas une réfutation de la théorie Mond.

Les UDG sont des galaxies de la taille de la Voie lactéeVoie lactée mais contenant nettement moins d'étoiles, avec une luminosité extrêmement faible comparable à celle des galaxies nainesgalaxies naines. Elles sont probablement assez nombreuses dans l'univers observable car, dans le seul amas de la Chevelure de Bérénice (dit de ComaComa) contenant plus de 1.000 galaxies, le télescopetélescope Subaru, à Hawaï, en a repéré des centaines. Les astronomes en avaient déduit que, pour résister aux forces de maréeforces de marée gravitationnelles des autres grandes galaxies, les UDG devraient contenir des quantités importantes de matière noire, jusqu'à une proportion d'au moins 98 %. Comme exemple, on peut citer le cas de Dragonfly 44 qui atteindrait même les plus de 99,9 %.

Mais, depuis quelques années, c'est surtout NGCNGC 1052-DF2, plus sobrement appelée DF2, et que l'on peut observer dans la constellation de la Baleineconstellation de la Baleine, qui intrigue les cosmologistes et les astrophysiciensastrophysiciens. DF2 a été découverte en utilisant un télescope construit sur mesure au Nouveau-Mexique pour chasser les UDG et qui est équipé de l'instrument DragonflyDragonfly Telephoto Array exploitant une technique d'interférométrieinterférométrie. NGC 1052-DF2 a probablement une taille comparable à celle de notre Voie lactée mais elle semble contenir beaucoup moins d'étoiles et, à coup sûr, ne comporte ni bras spiraux ni disque. On ne peut pas non plus la classer parmi les galaxies elliptiquesgalaxies elliptiques et, malgré sa taille, elle ne semble pas posséder de trous noirs supermassifs contrairement aux autres grandes galaxies.

Mais, il y a quelques années, Pieter van Dokkum et ses collègues ont obtenu une estimation dynamique de la masse totale contenue dans DF2 en mesurant les mouvements orbitaux de dix amas globulairesamas globulaires autour de cette galaxie. Et surprise ! ces amas se comportaient comme si, seule ou presque, la gravitégravité de la matière baryonique dans les étoiles de DF2 était présente. Pas de matière noire donc, ou si peu qu'elle était indétectable avec les instruments mobilisés pour révéler et évaluer sa présence.

Or, l'existence d'une telle galaxie aussi pauvre en matière noire, au point que l'on peut considérer qu'elle en est dépourvue, est très difficile à comprendre dans le cadre du modèle cosmologique standard pourtant bien confirmé par les observations de Planck notamment.

Malgré des rebondissements depuis lors pour estimer son contenu en matière noire, les observations continuent à soutenir l'affirmation que DF2 est au moins forcément très pauvre en matière noire. Ce n'est pas la première fois que l'on a des problèmes avec le modèle cosmologique standard basé sur ce que l'on appelle de la matière noire froide. Cette matière est censée être largement dominante devant la matière connue dont la masse principale se trouve sous forme de baryonsbaryons, c'est-à-dire des protonsprotons et des neutronsneutrons. Compte tenu des limites des ordinateursordinateurs des années 1980 et 1990, ce sont des simulations numériques faisant intervenir uniquement de la matière noire qui avait été menées pour expliquer la naissance et l'évolution des structures galactiques car, si au tout début de la naissance des galaxies, des calculs analytiques pouvaient être menés, il fallait pour les poursuivre passer d'approximations linéaires des solutions des équationséquations utilisées à un régime dit non-linéaire.

Si l'on avait constaté que ces simulations reproduisaient bien les structures à grandes échelles avec des filaments de matière contenant des galaxies et des amas de galaxiesamas de galaxies, elles prédisaient également un très grand nombre de petites galaxies naines autour des grandes galaxies... que l'on n'observe pas (1.000 environ rien que pour la Voie lactée) !

Autre prédiction dérangeante, celle constituant le problème de concentration du halo. Le mouvement des étoiles au cœur des galaxies devrait traduire un pic central, une « cuspide » dans la concentration de matière noire, pic que, là non plus, on n'observe pas.

Toutefois, on pense que ces problèmes peuvent être résolus en introduisant par exemple un nouveau type de matière noire dite tiède, en remplacement ou en complément des particules de matière noire froide (ces termes renvoient aux vitessesvitesses des particules lorsqu'elles se sont découplées des réactions les unes dans les autres au moment du Big Bang. Des particules « froides » sont à faibles vitesses à ce moment-là, contrairement aux particules « chaudes ». Souvent, les particules de matière noire sont massives, comme celles proposées sous le nom de Wimps, mais ce n'est pas toujours le cas comme le montre l'exemple des axions).

Il se pourrait aussi que ces discordancesdiscordances avec les observations soient dues au fait que l'on ne tenait pas compte du comportement des baryons qui peuvent agir par leur propre gravité et surtout former des étoiles explosant en supernovaesupernovae et s'accréter sur des trous noirs supermassifs générant des ventsvents de matière et de rayonnement. Des boucles de rétroactionsboucles de rétroactions non-linéaires faisant intervenir de la physique classique pourraient donc sauver le modèle de la matière noire froide.

Un conflit avec la matière noire ou avec Mond ?

Par contre, de prime abord, les caractéristiques de NGC 1052-DF2 semblent réfuter Mond radicalement. En effet, cette théorie prévoit des modifications aux lois de la gravitation de NewtonNewton s'appliquant sans restriction à TOUTES les galaxies. Le champ de gravitation de NGC 1052-DF2 devrait alors affecter les mouvements de ses amas globulaires de la même manière que si elle possédait de la matière noire et donc aussi une masse bien plus grande que celle déduite de sa luminositéluminosité. Qu'il n'en soit apparemment pas le cas ne semble donc pas compatible avec les prédictions de Mond.

En réalité, pour le moment, il n'en est rien...

L’astronome états-unien Stacy McGaugh a travaillé sur les galaxies à faible brillance de surface, la formation et l'évolution des galaxies. Il est aussi connu pour ses travaux sur la matière noire, la théorie Mond et le rayonnement fossile. © Case Western Reserve University

L'un des astrophysiciens les plus réputés, qui a choisi de suivre la piste Mond d'une modification des lois de la gravitation, l’astronome états-unien Stacy McGaugh, a rappelé peu de temps après la découverte de l'énigme de DF2 que NGC 1052-DF2 se trouve au sein d'un groupe de galaxiesgroupe de galaxies associées à NGC 1052, une galaxie elliptique massive, et que le champ de gravitation de ces objets pourrait bien produire un phénomène AUSSI prédit par Mond et baptisé en anglais External Field Effect. C'est d'ailleurs celui que Stacy McGaugh a étudié dans la galaxie naine de la Coupe 2 (en anglais Crater 2 dwarf galaxy), une des galaxies naines satellites de la Voie lactée. Finalement, en raison de l'EFE, DF2 pourrait se comporter en plein accord avec Mond même si la question reste ouverte à ce jour.

Si Mond venait à être réfuté, comment expliquer les observations concernant NGC 1052-DF2 ? En théorie, rien n'interdit que la matière noire puisse se séparer de la matière baryonique d'une galaxie. C'est d'ailleurs bien ce qui semble s'être produit lors des collisions d'amas de galaxies, comme le célèbre « bullet cluster ». Longtemps, son cas a été présenté comme une preuve définitive, bien qu'indirecte, de l'existence de la matière noire, fournissant même une réfutation de Mond, déjà. On s'est aperçu ensuite que l'on pouvait rendre compte des observations en combinant Mond et la présence d'un peu de matière noire ou tout simplement une partie des baryons dont l'existence est prédite par la nucléosynthèse primordiale mais qu'on ne trouve pas dans les galaxies et qui se situent au moins dans certains filaments entre galaxies.

La prudence s'impose donc et rappelons aussi que les galaxies naines autour d’Andromède ne sont pas vraiment en accord avec les prédictions du modèle de la matière noire froide.

Enfin, tout récemment, il a été proposé une version relativiste de Mond qui, pour la première fois, est compatible avec les caractéristiques du rayonnement fossile ; ce qui lève l'une des plus fortes objections à la théorie Mond, même si le dernier mot n'est sans doute pas encore dit à ce sujet car la théorie relativiste proposée par Constantinos Skordis et Tom Złosnik semble tout de même assez artificielle. Ce qui est sûr, indépendamment du problème avec le rayonnement fossile, c'est que l'on peut faire naître des galaxies ressemblant à celles que l'on observe dans le cadre phénoménologique de Mond comme l'ont prouvé pour la première fois des chercheurs des universités de Bonn et de Strasbourg en 2020 également.

Mentionnons avant de terminer que, tout récemment également, on a découvert une autre UDG semblant très appauvrie en matière noire : NGC 1052-DF4. Mais, dans ce cas précis, on semble voir ce que l'on appelle une queue de marée suggérant que la matière noire de cette galaxie lui a été arrachée par un effet de marée gravitationnelle justement, exercé par la grande galaxie NGC1035. Ce qui certainement est compatible avec le modèle cosmologique standard.

Le physicien israélien Mordehai Milgrom a proposé au début des années 1980 un nouveau cadre pour la théorie de la gravitation. Il s'agissait d'expliquer les anomalies des mouvements des étoiles dans les galaxies sans postuler de nouvelles particules, donc en dehors du modèle de la matière noire froide. © Weizmann Institute of Science

En ce qui concerne les candidates au titre de particules de matière noire, elles sont légion. On avait de bonnes raisons de penser qu'il pouvait s'agir de particules faisant partie d'une nouvelle symétrie de l'espace-tempsespace-temps et de la matière appelée supersymétriesupersymétrie, prolongeant celle à la base de la théorie de la relativité restreinterelativité restreinte et dont les masses pouvaient être assez faibles pour être produites à partir des énergiesénergies des collisions des particules au LHC ; mais la nature n'a pas semblé convaincue par les arguments d'Homo sapiensHomo sapiens et, si les théories supersymétriques ne sont pas réfutées, nous n'avons plus vraiment d'idées pour prédire en confiance à quelles énergies ces particules pourraient naître et il se pourrait bien qu'elles soient trop élevées, même pour un accélérateur de la taille de la Terre.

Plus généralement, les modèles avec des WimpsWimps ont « du plombplomb dans l'aile », de sorte que, devant les déceptions répétées depuis 30 ans concernant la détection des particules de matière noire, des théories encore plus exotiques sont envisagées, y compris celles qui supposent que les particules de matière noire ne le sont pas vraiment mais pourraient se coupler à la force électromagnétique en étant des variantes des anapoles de Zel'dovich ou encore ce que l'on appelle des fermions millichargés, voire des photons noirs issus d'un monde parallèle.

La théorie la plus fascinante actuellement considérée est peut-être celle qui suppose que la matière noire est une sorte de superfluide quantique. Pour finir -- et parce qu'Auguste Comte disait que l'on ne sait pas une théorie, une science, tant que l'on en connait pas l'histoire --, il existe une excellente référence à ce sujet pour la matière noire.