Pourquoi la masse de la Voie lactée est-elle si difficile à mesurer ?

La Voie lactée pourrait être encore moins massive que prévu, assurent des scientifiques dans un article publié le 4 septembre 2019 sur la plateforme arXiv.org. Selon eux, la masse de notre galaxie équivaudrait à 1 400 milliards de masses solaires (1,4 x 10¹² M). C’est moins que les 1 500 milliards de masses solaires qui ont été estimées en mars dernier par la Nasa et l’ESA à l’aide du télescope spatial Hubble.

« La masse de notre propre galaxie semblerait faire partie d’un ensemble limité de paramètres fondamentaux, à la fois nécessaires à une compréhension complète de notre univers et relativement simples à mesurer. Pourtant, converger vers une réponse finale précise s’est révélé difficile », soulignent les auteurs de cette nouvelle étude. Depuis 1989, différentes valeurs ont été proposées pour la masse de la Voie lactée. Mais aucune masse exacte n’est calculée. Pourquoi est-ce si compliqué ?

La Voie lactée.

Source : NASA/JPL-Caltech (photo recadrée)

Pourquoi chercher la masse de la Voie lactée ?

Comme l’ont expliqué les scientifiques de la Nasa et de l’ESA en mars, il y a plusieurs réponses. « Déterminer avec précision la masse de la Voie lactée a des implications pour notre compréhension de l’histoire dynamique du Groupe local », c’est-à-dire du groupe d’une trentaine de galaxies dont fait partie la Voie lactée. Par ailleurs, la forme d’une galaxie (la nôtre est incurvée) et sa masse « sont intrinsèquement liés à la formation et à la croissance de la structure dans l’univers », complètent ces auteurs. Si l’on comprend mieux les caractéristiques de la Voie lactée, cela aide à la situer : est-elle une galaxie classique comme il en existerait tant d’autres, ou est-elle au contraire plus atypique ? Trancher cette question permettra de savoir si ce que nous savons de la Voie lactée est valable pour d’autres galaxies.

La taille de notre galaxie explique qu’il soit si difficile d’obtenir sa masse avec fiabilité : son diamètre est de 100 000 années-lumière. On estime qu’il y a entre 100 et 400 milliards d’étoiles dans la Voie lactée. Jusqu’en mars dernier, la masse de la Voie lactée était estimée dans une fourchette large, entre 500 milliards et 3 000 milliards de masses solaires. La Nasa et l’ESA ont tenté d’obtenir un résultat plus précis en mesurant le mouvement de plusieurs amas globulaires, c’est-à-dire des concentrations localisées d’étoiles situées dans le halo galactique. C’est notamment grâce à ces amas que l’on connaît, depuis 1918, la position du Soleil par rapport au centre de la galaxie.

Un amas globulaire.

Source : Wikimédia/CC/SeanXCurry (photo recadrée)

En utilisant le mouvement des amas globulaires dans la Voie lactée, les scientifiques de la Nasa et de l’ESA ont cherché à « peser » la matière noire. Cette entité invisible que l’on soupçonne d’être la matière dominante de l’univers aurait en effet une influence sur les objets visibles, comme les amas globulaires. « Plus une galaxie est massive, plus ses amas globulaires se déplacent rapidement sous l’effet de la gravité », indiquaient les scientifiques. Il était déjà possible de mesurer ce mouvement d’approche ou de recul par rapport à la Terre. La Nasa et l’ESA se sont associés pour mesurer aussi le mouvement latéral d’une quarantaine d’amas globulaires, ce qui permet d’obtenir une vitesse plus fiable… mais toujours pas une masse précise.

L’épineux problème de la matière noire

Et pour cause : la matière noire n’est qu’hypothétique. Jamais observée directement, cette substance transparente composerait cependant une partie majeure de l’univers. Elle expliquerait notamment pourquoi les galaxies de notre univers ne se sont pas défaites, alors qu’elles tournent vite. C’est la matière noire qui apporterait le supplément de gravité nécessaire. La matière noire n’est détectée que grâce à ses supposés effets gravitationnels : difficile, dès lors, d’espérer la mesurer correctement — et de savoir en quelle quantité elle est présente dans la Voie lactée.

Par ailleurs, les plus lointains amas étudiés par la Nasa et l’ESA se situent à 130 000 années-lumière. Or, comme le fait remarquer Benoît Famaey, directeur de recherche au CNRS et membre de l’Observatoire astronomique de Strasbourg à nos confrères du Figaro, « il faut extrapoler les résultats obtenus sur un volume bien plus grand » car la matière noire pourrait exister bien au-delà de cette distance, jusqu’à 600 000 années-lumière.

La distribution estimée de la matière noire autour de la Voie lactée, en bleu.

Source : Wikimedia/CC/ESO/L. Calçada

La Nasa et l’ESA n’ont pas trouvé la masse exacte

À la fin de leur étude, les scientifiques de la Nasa et de l’ESA écrivent bien que la masse de la Voie lactée est comprise entre 1 100 et 2 290 milliards de masses solaires (1,1 x 10¹² M et 2,29 x 10¹² M). Ils en déduisent donc la valeur intermédiaire d’environ 1 500 milliards de masses solaires, mais ce n’est pas une mesure encore assez fiable. L’étude la plus récente, citée au début de cet article, ne donne pas non plus de masse précise mais se contente de « fournir une limite inférieure à la masse de la Voie lactée » de 910 milliards de masses solaires (0,91 x 10¹² M). Cette nouvelle limite a été estimée à l’aide du « H3 », un relevé spectroscopique de 200 000 étoiles du halo de la Voie lactée. L’étude n’utilise qu’un échantillon de 32 étoiles, situées à une distance d’au moins environ 200 000 années-lumière du centre de la galaxie.

Les auteurs pensent que si les relevés d’étoiles du halo de la Voie lactée s’enrichissent encore, cela pourrait permettre de confirmer la « limite de masse inférieure » qu’ils ont calculée pour la Voie lactée. Plus largement, cela pourrait aider à s’approcher encore un peu du résultat tant convoité, à savoir la masse précise de notre galaxie — même s’il faudra composer avec la matière noire, cette grande source d’incertitudes.