Où est donc passée la matière noire de ces 19 galaxies ?

Les astrophysiciens pensent que la matière noire pourrait être la clé pour comprendre la formation des galaxies. La force gravitationnelle qu’elle exerce serait à l’origine du mouvement provoquant la concentration du gaz et des étoiles. Si l’on en croit le modèle standard de la cosmologie, la masse de chaque galaxie devrait être essentiellement constituée de cette matière invisible — soit bien plus de 90 %. À ce stade, on pourrait croire que tout se passe comme sur des roulettes en astrophysique, car, oui, nous connaissons l’ingrédient le plus probable pour expliquer la formation des galaxies. Mais c’est sans compter sur un gros bémol.

La logique de ce schéma est chamboulée par des galaxies « rebelles » qui manquent cruellement d’une masse suffisante en matière noire pour justifier leur existence. Une étude publiée le 25 novembre 2019 dans Nature Astronomy ajoute 19 galaxies naines à la liste. Toutes les données semblent indiquer qu’elles sont principalement constituées de particules baryoniques, c’est-à-dire de matière ordinaire visible. Comment comprendre cette anomalie ?

Le halo bleu qui entoure ici la Voie lactée est une vue d'artiste de la répartition de matière noire entournant notre galaxie.

Source : ESO/L. Calçada

Reprécisons que la matière noire reste une hypothèse en elle-même, à la différence que cette dernière est tellement probable pour expliquer tout l’Univers qu’elle est intégrée au modèle standard de la cosmologie. Dans notre récapitulatif sur la matière noire, le physicien Raphaël Granier de Cassagnac relève que les indices sont présents «  à toutes les grandes échelles : galaxies, amas de galaxies, jusqu’à l’univers dans son intégralité puisque la matière noire est indispensable pour expliquer les observations dans le cadre du modèle du big bang ». La physicienne Mariangela Settimo rajoute qu’il y aurait cinq fois plus de matière sombre que de matière visible dans l’Univers. Si les scientifiques pensent qu’elle existe, c’est grâce à son effet sur d’autres objets célestes… comme au sein des galaxies.

En apprendre plus

Comprendre la matière noire en 5 grandes questions

L’une des galaxies contient 27 % de matière ordinaire (c’est beaucoup trop)

La découverte des chercheurs publiée ce 25 novembre n’est pas une nouveauté en soi, même si c’est la première fois qu’une liste est aussi longue. Ce type de trouvailles vient d’ailleurs souvent avec son lot de débat autour de la crédibilité des conclusions : quid d’une simple erreur de calcul ? Il ne faudrait pas qu’une maladresse remette en cause le modèle standard. En 2018, il y avait justement eu un faux positif : les scientifiques avaient mal déterminé la distance de galaxie par rapport à la Voie lactée. Or, cela change tout à l’évaluation de la luminosité des étoiles. Cette luminosité aide à établir la masse totale de la galaxie et donc la proportion de matière noire. D’autres découvertes de galaxies à dominante baryoniques n’ont toutefois pas pu être réfutées de la sorte, donc la piste perdure.

Les chercheurs à l’origine de l’étude récemment parue dans Nature Astronomy ont utilisé les données fournies par le radiotélescope Arecibo (Porto Rico). Ils ont d’abord calculé la vitesse de rotation de l’hydrogène se déplaçant autour des galaxies. Plus l’hydrogène tourne vite, plus la masse galactique totale (matière noire + matière ordinaire) est élevée. Ensuite, ils ont additionné la masse stellaire et la masse d’hydrogène, pour obtenir la masse baryonique (matière ordinaire seulement).

Trop de matière ordinaire, pas assez de matière noire

La différence entre la masse totale de la galaxie et la masse baryonique permet d’obtenir les proportions de matière noire et de matière ordinaire. Habituellement, la matière ordinaire devrait représenter dans les 2 % seulement. Sauf que dans 19 cas sur les 324 galaxies analysées, la part de matière noire est considérablement réduite par rapport à la normale. L’une des galaxies contient par exemple 27 % de matière ordinaire.

Comment une substance a priori essentielle à la formation et à l’existence des galaxies… pourrait-elle manquer dans certaines d’entre elles ? Une possibilité serait que, dans le contexte d’un amas galactique, la matière noire des galaxies naines ait été éjectée ou aspirée par la force gravitationnelle des plus grosses galaxies. Sauf que parmi les 19 cas observés, certaines galaxies sont complètement isolées. Quoi qu’il en soit, la matière noire ne peut pas avoir seulement « disparue ». Peut-être que la cause est non pas un manque de matière noire, mais un surplus de baryons. Des explications pourraient être également méthodologiques : des supernovas non répertoriées ont peut-être eu un impact sur les mesures d’hydrogène ; ou alors l’angle d’observation des galaxies est erroné.

Pour aller plus loin

Comment l’antimatière pourrait être la clé pour comprendre la matière noire (et vice-versa)

Face à l’absence de réponse logique, les chercheurs indiquent que les observations vont devoir être largement approfondies à l’aide de modélisations spatiales profondes. Si les résultats ne confirment, ils « apportent une preuve par l’observation qui pourrait défier la théorie sur la formation des galaxies de faible masse au sein de la cosmologie standard ».