Un nouveau type de matière noire explique la diversité des courbes de rotation galactiques

Un des problèmes difficilement explicables par le modèle dominant actuel de la matière noire, la « Cold Dark Matter » (CDM) est l'existence d'une très grande diversité des formes des courbes de rotation des galaxies. On se souvient que c’est justement l’observation de ces courbes de rotation (la vitesse de rotation des étoiles et du gaz en fonction de la distance du centre de la galaxie) qui a permis il y a 50 ans de mettre le doigt sur une grosse anomalie dynamique/gravitationnelle, menant finalement au concept de matière noire. Le modèle dominant actuel propose depuis quelques décennies une matière noire « froide » constituée de particules massives interagissant très faiblement avec la matière ordinaire autrement que par la gravitation, et n’interagissant pas sur elle-même...

Les étoiles et le gaz dans les galaxies montrent une vitesse de rotation qui tend à devenir constante quand leur distance du centre augmente, la courbe de rotation devient plate, et ce, quelle que soit la masse du halo de matière noire au sein duquel évolue le disque galactique. Mais il se trouve que pour une masse de halo de matière noire donnée, la forme des courbes de rotation avant qu’elles deviennent plates, peut varier fortement. Certaines galaxies ont une courbe de rotation qui augmente très vite avant d’atteindre le plateau, et d’autres augmentent au contraire lentement. Cette diversité, le modèle de matière noire froide «classique » ne l’explique pas.

Des chercheurs de l’Université de Californie se sont intéressés à ce problème en travaillant sur les données de rotation de 30 galaxies spirales représentant bien la diversité qui peut être observée, et dont la masse varie de trois ordres de grandeur pour couvrir un large panel.

Ayuki Kamada, Manoj Kaplinghat, Hai-Bo Yu et Andrew Pace ont émis l’hypothèse selon laquelle les particules massives formant le halo de matière noire, auraient la capacité à interagir entre elles, pour voir si un tel comportement permettrait d’expliquer la diversité des courbes de rotation observées. On parle de self-interacting dark matter (SIDM) (matière noire auto-interagissante).

Le modèle SIDM a été construit aux alentours des années 2000 et a été remis sur le devant de la scène il y a une petite dizaine d’années, notamment par Hai-Bo Yu à l’Université de Californie. Dans leurs calculs et simulations, les chercheurs ont réutilisé la relation masse-concentration qui est celle du modèle LCDM et ont fixé une valeur pour la section efficace d'interaction entre particules massives de matière noire (leur section efficace par unité de masse pour être exact, qui quantifie leur probabilité d'interaction) : 3 cm²/g, ce qui ferait une section efficace de 180 barns pour une particule de 100 GeV/c², donc très loin d'être négligeable.

Les physiciens publient leur résultat aujourd’hui dans la prestigieuse Physical Review Letters  et à la question « est-ce que ça marche mieux ? », ils trouvent une réponse positive. Ça marche même beaucoup mieux, et pour toutes les galaxies étudiées, dans toute leur diversité.

Leur modèle inclut un halo de matière noire qui interagit avec elle-même surtout dans les régions internes de la galaxie et qui influe sur la distribution de matière ordinaire dans le halo ainsi que sur l’histoire de la formation de ce halo.

Les collisions des particules de matière noire entre elles ont pour effet de thermaliser la zone centrale du halo en perdant de l’énergie, là où se trouve la galaxie « lumineuse ». Cette thermalisation, selon les auteurs,  a pour effet de « lier » ensemble les distributions de matière ordinaire et de matière noire, si bien qu’elles se comportent un peu comme une seule entité. Le halo de matière noire auto-interagissante, dans ce modèle, devient alors suffisamment "flexible" pour expliquer la diversité des courbes de rotation observées. L’effet sur le potentiel gravitationnel et donc sur la forme de la courbe de rotation est important et reproduit les données observationnelles d’une manière excellente.

Kamada et ses collègues montrent par ailleurs que l’effet est différent pour les galaxies faiblement lumineuses et pour les galaxies très lumineuses. Pour les premières, le processus de thermalisation produit une « expulsion » des particules de matière noire en dehors de la région centrale du halo, réduisant alors la densité. Pour les secondes, très lumineuses, comme notre galaxie, la thermalisation a pour effet, à l’inverse,  de pousser les particules massives vers le fond du puits gravitationnel de la matière visible, augmentant alors la densité vers le centre.

Une chose importante que rappellent les auteurs de cette étude, c’est que ce nouveau modèle de matière noire reste tout à fait conforme aux autres observables cosmologiques classiquement obtenus et validés par le modèle LCDM, comme la formation des grandes structures cosmiques.

La très forte compatibilité de ce nouveau modèle avec les observations est très intéressante car elle indique que cette solution pourrait être la bonne. Cela ouvrirait des perspectives nouvelles, même si la nature des hypothétiques particules massives interagissant si faiblement avec la matière ordinaire reste toujours inconnue aujourd’hui. Le fait de savoir que, si elles existent, elles auraient une interaction entre elles, permet de bien mieux les cerner.

Source 

Self-Interacting Dark Matter Can Explain Diverse Galactic Rotation Curves

Ayuki Kamada, Manoj Kaplinghat, Andrew B. Pace, and Hai-Bo Yu

Physical Review Letters 119, 111102 (15 September 2017)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.111102

Illustrations

1. Courbes de rotation de trois galaxies différentes NGC6503, UGC128 et NGC 2903. La contribution du halo de SIDM est représenté en trait bleu plein, la contribution d'un halo de type CDM est représenté en bleu pointillé. La courbe fittée avec le nouveau modèle (somme des contribution SIDM+étoiles+bulbe+gaz) est la courbe rouge (Kamada et al., Phys. Rev. Lett. 119) 

2. Hai-Bo Yu est professeur assistant en astrophysique théorique à l'Université de Californie (Riverside) (image I. Pittalwala, UC Riverside)

Le cœur d’un amas globulaire dévoilé par ses pulsars

Notre galaxie contient de nombreux amas globulaires, des amas sphériques de plusieurs centaines de milliers voire plusieurs millions d’étoiles. Les amas globulaires sont les plus vieux systèmes stellaires connus, composés d’étoiles très vieilles qui datent de la naissance des galaxies il y a 12 à 13 milliards d’années. La mesure des vitesses individuelles des étoiles dans ces amas est rendue difficile par la présence fréquente de poussières et la surpopulation stellaire dans les régions où ils se trouvent. Et pourtant, les paramètres dynamiques à l’intérieur des amas globulaires sont cruciaux à connaître pour pouvoir déterminer leur structure centrale et notamment si ils abritent ou non un objet compact de type trou noir.

L'adieu de Cassini à Encelade

Ce sont les dernières images rapprochées que nous aurons du petit Encelade par la sonde Cassini. Ces images ont été obtenues le 28 août dernier durant près de 14 heures d'affilée... On peut y distinguer pour la dernière fois les geysers d'eau salée s'échappant du pôle Sud de ce monde où s'est peut-être développée une forme de vie dans son océan liquide d'eau chaude.

La séquence débute par une vue de la surface éclairée par la lumière réfléchie de Saturne puis se termine avec un éclairement direct (partiel) du Soleil. La distance de Cassini variait de 1,1 million à 868 000 kilomètres de Encelade, fournissant une résolution comprise entre 5 et 7 kilomètres par pixel.

Les lunes de Saturne ne seront plus visitées avant plusieurs dizaines d'années au moins... Rappelons que c'est pour ne pas risquer de contaminer Encelade ou Titan par d'éventuelles bactéries terrestres que Cassini va être détruite dans l'atmosphère de Saturne dans cinq jours.

Qui peut détecter la Terre par ses transits devant le Soleil ?

Observer le passage des exoplanètes devant leur  étoile, leur transit, est une de nos meilleures techniques pour les trouver. Mais qu’en est-il du transit des planètes de notre système solaire devant le Soleil, vu de très loin ? Une superbe étude parue il y a quelques semaines se penche sur cette question pour savoir depuis quelle exoplanète connue la Terre  pourrait être détectée par la méthode du transit. 

Les aurores polaires de Jupiter sont différentes des aurores terrestres

L’un des objectifs majeurs de la sonde Juno en orbite autour de Jupiter est d’étudier les aurores polaires de la géante gazeuse. Les premières analyses viennent d’être publiées et montrent que les aurores joviennes les plus intenses ne sont pas produites par le même processus que dans le cas des plus intenses aurores terrestres.

Nouveaux indices de la présence d'un trou noir de 100 000 masses solaires dans notre Galaxie

Le 13 janvier 2016, nous parlions ici de la découverte de signes montrant la présence probable d'un trou noir de 100 000 masses solaires dans notre Galaxie, un trou noir dit de "masse intermédiaire", des trous noirs qui sont si difficiles à trouver. Aujourd'hui, l'équipe japonaise à l'origine de cette observation publie de nouvelles données en ondes millimétriques qui confirment leur première hypothèse.

Des étoiles trop jeunes à proximité de Sgr A*

Encore une chose curieuse observée au centre de notre Galaxie. Il s'agit cette fois-ci d'un groupe d'étoiles, qui se trouvent être très jeunes. Trop jeunes... pour être là où elles sont, c'est à dire à très grande proximité du trou noir supermassif Sgr A*...

Ces étoiles qui s'approchent du Soleil

Ça bouge pas mal du côté des étoiles de notre Galaxie. Les mouvements de plus de 320 000 étoiles mesurés par le télescope européen Gaia révèlent que le nombre d’étoiles qui vont s’approcher près du soleil dans le futur (à moins de 7 années-lumière) est de l’ordre de 90 tous les millions d’années, avec, pour les plus forts rapprochements, de potentiels effets de déstabilisation du nuage d’Oort et d’éventuelles pluies de comètes s’abattant sur le système solaire interne. 

Mesure d'un champ magnétique à 5 milliards d'années-lumière

Mesurer le champ magnétique d'une galaxie à 4,6 milliards d'années-lumière de nous, c'est ce qu'ont réussi à faire une équipe d'astronomes américains, canadiens et européens. Alors que cette galaxie est plus jeune que la nôtre de près 5 milliards d'années, son champ magnétique paraît similaire à celui de notre Galaxie, une nouvelle petite énigme. 

La supernova de type Ia qui émettait des rayons X

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Preuve de la présence d’une étoile compagne dans une supernova de type Ia

Le 10 mars 2017 est apparue une supernova dans la galaxie NGC 5643 située à 55 millions d’années-lumière : SN 2017cbv, une supernova de type Ia, explosion d’une étoile naine blanche. Ce jour-là, pour la première fois, dans les minutes et les heures qui ont suivi l’explosion, des astronomes ont réussi à observer la preuve de la présence d’une étoile compagne, sous la forme d’un pic de luminosité en ultra-violet.

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Pour la première fois, les mouvements de l’enveloppe gazeuse d’une étoile autre que le Soleil ont pu être observés et mesurés. Il s’agit bien évidemment d’une étoile supergéante relativement proche, l’une des plus célèbres supergéantes rouges de notre ciel : Antarès. Ces observations permettent de mieux comprendre les mécanismes qui sont à l’origine de la perte de masse de ces étoiles énormes.

Mise en sommeil

Ça Se Passe Là-Haut se met en sommeil pour une durée indéterminée. Durant cette éclipse, ne perdez pas vos habitudes, plongez-vous dans nos 959 billets et  602 émissions couvrant tous les univers que nous abordons ici depuis de nombreuses années:

L’Univers des Galaxies

L’origine des premières galaxies, les plus lointaines observées, le lien entre galaxies et trous noirs supermassifs, le mystère entourant encore les  galaxies naines et bien plus encore… Les briques élémentaires des grandes structures cosmiques sont un sujet en soi.

L’Univers des Trous noirs

Du mystère de l’origine des premiers trous noirs supermassifs aux découvertes de fusions de trous noirs stellaires par leurs ondes gravitationnelles, en passant par la recherche effrénée des trous noirs de masse intermédiaire, le domaine sans doute le plus cool de l’astrophysique vous est à portée de clic.

L’Univers de la Matière noire

Sujet abondamment traité sur Ça Se Passe Là-Haut, et pour cause. Que ce soient par les méthodes directes les plus passionnantes du moment ou par les méthodes indirectes les plus subtiles, la recherche de ce qui apparaît toujours comme une masse manquante dans l’Univers que nous observons reste un point central dans l’astrophysique contemporaine. Vous pourrez également enrichir vos connaissances sur des tentatives alternatives d’explications de cette anomalie majeure de la dynamique des galaxies et des amas de galaxies.

L’Univers de la Cosmologie

L’Univers étudié dans sa globalité, son histoire, sa nature, les caractéristiques de son expansion, son origine... La cosmologie est un domaine traité avant tout sous son aspect observationnel dans Ça Se Passe Là-Haut, que ce soit concernant les observations du fond diffus cosmologique, les traces de la nucléosynthèse primordiale ou encore l’étude de la phase de réionisation de l’Univers.  

L’Univers des Exoplanètes

S’il est un domaine qui reflète une quête infinie, c’est bien celui de la recherche des exoplanètes. Sujet gardé souvent en second plan ici pour cette raison (il y aurait tant à dire), de belles découvertes vous attendent néanmoins, où il est question de systèmes multiples, d’anneaux, de planètes errantes et autres exoplanètes aux caractéristiques un peu extrêmes…

L’Univers de notre Système solaire

Quelques sondes spatiales ont bien travaillé ces dernières années, autour de quasi toutes les planètes de notre système y compris des planètes naines, si riches en enseignements. C’est aussi à un voyage passionnant autour des satellites de nos planètes géantes que vous êtes conviés dans ce petit univers, notre maison…

L’Univers des Etoiles

Qu’elles soient en cours de formation, en train de se transformer ou bien à la fin de leur vie plus ou moins violente, naines ou supergéantes, à neutrons ou brunes, de première ou de troisième génération, les étoiles montrent une diversité à même de créer du rêve. Parmi elles, les étoiles à neutrons sont sans doute le type le plus déconcertant qui soit, un sujet de choix ici.

L’Univers des Astroparticules

Rayons cosmiques, photons gamma de ultra-haute énergie, neutrinos… Les astroparticules revêtent une saveur particulière sur Ça Se Passe Là-Haut. Jonction entre l’infiniment petit et l’infiniment grand, les astroparticules deviennent de plus en plus les nouveaux messagers du cosmos, ayant pour origine les phénomènes les plus violents et les plus étonnants de l’Univers. Vous les aimerez aussi.

L'Univers des Neutrinos

S'il est un type de particule vraiment bizarre et source probable de futures révolutions en physique et en astrophysique, c'est bien le neutrino. Le petit neutre ne peut pas vous laisser indifférent, c'est une évidence. C'est surtout vrai pour ceux qui sont détectés au fin fond de l'Antarctique et qui nous fascinent tant, leur origine étant toujours inconnue à l'heure où j'écris ses lignes.

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La curiosité des phénomènes physiques en jeu peut aussi laisser de la place à une simple contemplation des beautés du ciel. Des conseils et autres récits d'observations vous attendent si le coeur vous en dit, mais il vous en dit, c'est sûr.

L’Univers des questions brûlantes

Ce blog s’est nourri quotidiennement des questions les plus brûlantes en astrophysique: phénomènes étonnants, incompris, impossibles a priori, avant que des solutions ne soient trouvées. Bouffées de rayons gamma, supernovas atypiques, alignements de quasars, et aujourd’hui bouffées d’ondes radio ultra-courtes… La recherche en train de se faire et dans tous ces états, vous y reviendrez aussi souvent que nécessaire.

Restez bien les yeux vers le ciel et les pieds sur Terre, qui restera notre seule et unique planète avec ou sans Donald Trump... 

Bon ciel !

Hubble mesure pour la première fois la masse d'une étoile par un effet relativiste

Le télescope Hubble est à nouveau à l'origine d'une petite prouesse scientifique : mesurer l'effet de déflexion gravitationnelle produit par une seule étoile, le même type de mesure qui permit à Arthur Eddington il y a près d'un siècle de confirmer la théorie de la Relativité Générale d'Einstein. Cette mesure de Hubble permet de mesurer directement la masse d'une étoile proche (une naine blanche) en appliquant les équations de la Relativité Générale.

La froideur de la Nébuleuse du Boomerang expliquée

La nébuleuse du Boomerang est l’objet astrophysique le plus froid que l’on connaisse, avec une température de 0,5 K, elle est même plus froide que le rayonnement du fond diffus cosmologique. De nouvelles observations effectuées avec ALMA permettent de comprendre l’origine de cette température extrême.