samedi 23 mars 2019

Découverte d'une deuxième galaxie sans matière noire


Il y a un an, souvenez-vous, une équipe d'astronomes annonçait la découverte d'une galaxie ne contenant pas du tout de matière noire : NGC1052-DF2. Cette découverte a soulevé pas mal de controverses, certains tentant d'expliquer qu'il ne s'agissait pas vraiment d'une galaxie, d'autres expliquant que la méthode utilisée était biaisée, et d'autres tentant de montrer qu'une erreur aurait été commise sur la distance de la galaxie, ce qui renverserait complètement la conclusion. Aujourd'hui, la même équipe, menée par Pieter Van Dokkum, annonce la découverte d'une deuxième galaxie sans matière noire, qui est située dans le même groupe de galaxies...




Cette nouvelle galaxie "anormale" est nommée NGC 1052-DF4 (ou DF4 pour faire court). Elle se situe elle aussi à proximité de la grosse galaxie NGC 1052 et a été observée par les mêmes moyens que DF2, avec le télescope Dragonfly Telephoto Array. Sa masse totale a été déduite par la même méthode que précédemment, à l'aide de la mesure des mouvements d'une série d'amas globulaires qui s'y trouvent, en y ajoutant des observations avec le Low Resolution Imaging Spectrograph du télescope Keck.
Dans une galaxie spirale, où les étoiles et le gaz se déplacent dans la même direction (sur une trajectoire environ circulaire), la masse est facilement déduite en mesurant cette vitesse tangentielle et en appliquant le théorème du Viriel. Dans des galaxies elliptiques ou des galaxies naines sphéroïdales, les étoiles se meuvent dans des directions aléatoires et la vitesse moyenne apparente doit donc être nulle. Dans ces cas, la méthode employée pour estimer la masse réside dans la mesure de la dispersion des vitesses : comment les vitesses s'étalent par rapport à la vitesse moyenne. On parle alors de "masse dynamique". Dans le cas de NGC1052-DF4 et de NGC1052-DF2, Pieter Van Dokkum et ses collaborateurs ont utilisé une population d'amas globulaires très lumineux, qui ont l'avantage d'être bien plus visibles que les autres étoiles de la galaxie, pour mesurer leur dispersion de vitesse. 

Depuis la publication de mars 2018 de la découverte de NGC1052-DF2, de nombreuses critiques sont apparues, tant sur la méthode utilisée que sur l'analyse effectuée, mais Van Dokkum et ses collaborateurs ont toujours réussi à répondre en publiant de nouveaux tests et analyses pour renforcer leur conclusion initiale. Ils ont notamment produit dès août 2018 une étude approfondie rejetant fermement l'idée d'une mauvaise estimation de distance, confirmant que NGC1052-DF2 se trouvait bien à 19,9 Mpc (65 millions d'années-lumière), et non à 13 Mpc, ce qui aurait permis d'expliquer que la galaxie naine était en fait tout à fait normale. Et fin 2018, l'équipe a utilisé une toute autre méthode, cette fois en mesurant la dispersion de vitesse des étoiles de la galaxie elle-même via leur lumière diffuse, avec le télescope Keck, et ont trouvé une valeur de masse dynamique tout à fait en accord avec leur première estimation : NGC1052-DF2 ne montre donc quasi aucune matière noire. 

Les astrophysiciens sont donc confiants dans leur méthode initiale utilisant les amas globulaires pour évaluer la masse dynamique et ont en outre poursuivi leurs mesures spectrométriques avec le télescope Keck pour leurs nouvelles observations.
Car il se pourrait aussi que DF2 soit juste un cas très particulier, comme une galaxie qui aurait subi un dépouillement de sa matière (noire) via des interactions gravitationnelles par effet de marée avec la grosse galaxie voisine NGC1052. Si DF2 se trouvait sur une orbite très spécifique, notre angle de visée pourrait en effet nous conduire à la classer comme une galaxie ultra-diffuse sans matière noire. Difficile dans ces conditions de tirer des conclusions générales sur la formation des galaxies et l'absence parfois de matière noire... Jusqu'à aujourd'hui! La découverte d'une deuxième galaxie possédant les mêmes caractéristiques change tout. Nous ne sommes plus en effet en présence d'un artefact statistique, mais d'une population. 

La masse dynamique de DF4 a été déterminée par les chercheurs grâce à la fois à 7 amas globulaires par la mesure de la dispersion de leurs vitesses, ainsi que par la dispersion de vitesse des étoiles mesurée sur leur lumière diffuse. Van Dokkum et ses collègues mesurent une dispersion de vitesse cohérente de 4,2 (+4,4 -2,2) km/s, alors que la dispersion de vitesse calculée à partir de la masse des étoiles visibles seules devrait être de ~7 km/s et si on y ajoute un halo de matière noire classique pour ce type de galaxie, la dispersion de vitesse des amas globulaires devrait atteindre 30 km/s! La présence de matière noire est donc clairement défavorisée dans le cas de NGC1052-DF4.

Evidemment, de nombreuses questions demeurent. On est en présence de deux galaxies naines sans matière noire et elles se trouvent malheureusement toutes les deux dans le même groupe de galaxies. Avant de généraliser quoi que ce soit, il va falloir comprendre si l'environnement proche de NGC1052 ne jouerait pas un rôle important dans ce qui est observé. Un autre point commun entre NGC1052-DF2 et NGC1052-DF4 est le fait qu'elles possèdent toutes les deux un grand nombre d'amas globulaires très lumineux, presque trop lumineux... Pourquoi ? 

L'anomalie statistique est moins probable maintenant que deux spécimens ont été trouvés, faisant passer de l'"exception" à la "population", mais il faudrait maintenant peupler cette nouvelle population, si possible avec des spécimens situés dans d'autres groupes de galaxies très différents. Si elle se confirme, cette nouvelle population de galaxies sans matière noire comme DF2 et DF4 nous éclairera non seulement sur la formation des galaxies (peuvent-elles vraiment se former sans matière noire ?) mais aussi sur les interactions de la matière noire avec la matière ordinaire (est-ce qu'une collision d'une grosse galaxie avec une plus petite peut séparer la matière noire du reste, et comment ?)
Cette découverte de NGC1052-DF4 a déjà fait beaucoup parler d'elle depuis la parution de l'article de Van Dokkum et al. sur arXiv en janvier dernier avant sa publication définitive et revue aujourd'hui dans The Astrophysical Journal Letters. Il est fort à parier que nous aurons l'occasion d'en reparler dans un futur proche..


Source

A Second Galaxy Missing Dark Matter in the NGC 1052 Group
Pieter van Dokkum, Shany Danieli, Roberto Abraham, Charlie Conroy, and Aaron J. Romanowsky
The Astrophysical Journal Letters, Volume 874, Number 1 (20 march 2019)


Illustrations

1) La région entourant la galaxie NGC 1052 imagée par le Dragonfly Telephoto Array, les galaxies DF2 et DF4 sont zoomées (images du télescope Hubble) (Dokkum et al.)

2) Zoom sur NGC1052-DF4 et les 7 amas globulaires étudiés pour en déduire la masse dynamique de la galaxie (Dokkum et al.)

10 commentaires :

**** a dit…

Bonjour Eric,
Je me suis toujours demandé à quel point on peut avoir confiance dans le théorème du viriel ? Dans quelle mesure une galaxie peut elle être totalement considérée comme un gaz parfait à l équilibre, la moindre modification d un paramètre changeant, j imagine, toutes les conclusions possibles ?
Et deuxième question : n y a t il vraiment aucune chance qu en fait les galaxies se "disloquent" réellement mais que nous ayons beaucoup de mal à les voir dans leur état disloqué à cause d une part de la très faible luminosité qui leur resterait -comme pour Df2 et Df4, et d autre part que ce laps de temps ou elles sont encore observables serait très bref ?

Dr Eric SIMON a dit…

Non, les galaxies ne se disloquent pas comme ça subitement. Elle peuvent le faire mais seulement lorsqu'elles rencontrent une autre galaxie. Quant à l'utilisation du théorème du viriel, les spécialistes savent ce qu'ils font, rassurez-vous.

**** a dit…

Vous n'êtes donc pas un grand fan de Mr Magnan ;)
J'avoue qu'il n'est pas toujours très convaincant, mais sur sa remise en cause du viriel, j'avais trouvé ça pas dénué d'intérêt.
Mais si vous me dîtes d'avoir confiance, comme j'ai confiance en votre avis, j'y consens ! Merci :D

Six en ligne Atmo a dit…

Bonjour,

"Et fin 2018, l'équipe a utilisé une toute autre méthode, cette fois en mesurant la dispersion de vitesse des étoiles de la galaxie elle-même via leur lumière diffuse"

J'avais cru comprendre qu'on n'était pas capable de résoudre des étoiles dans une autre galaxie donc pouvez-vous m'expliquer comment ces chercheurs ont réalisé cette mesure?

Merci d'avance (et encore merci pour ce blog que j'adore)

Dr Eric SIMON a dit…

Je confirme : les etoiles de cete galaxie ne sont pas resolues. C'est leur lumière diffuse qui est analysée ici, ce qui revient à une sorte de moyenne locale. La dispersion de vitesse (moyenne) se mesure par la dispersion du décalage spectral dans une portion de la galaxie

Frank a dit…

Bonjour,
pourrait-on imaginer comme candidat à la matière noire, un grand nombre de micro trous noirs qui donneraient, de loin, l'impression d'un champ gravitationnel continu ? Comme des grumeaux dans la pâte à crêpes
Bien à vous, Frank

Dr Eric SIMON a dit…

Oui Frank, cette idée a déjà été imaginée et testée par l'observation (efrts de microlentilles gravitationelles). Resultat : s'ils existent ils sont pas du tout assez nombreux par unité de volume pour expliquer la masse manquante...

Pascal a dit…

Bonjour Eric et Franck,

les observations de microlentilles gravitationnelles ont permis d'exclure les Machos de moins de 10 masses solaires (Mo)comme constituant l'essentiel de la matière noire ; toutefois cela n'élimine pas les objets plus petits qu'une planète non détectables par cette méthode, en particulier les trous noirs (TN) primordiaux qui pourraient être aussi petits que 10^-19 Mo (de l'ordre de 10^11 kg, en dessous ils se sont évaporés). La piste des TN reste donc d'actualité, d'autant que les wimps brillent par leur absence. Voir par exemple l'article de Bellido et Clesse dans le Pour la Science de fev 2018 : "matière noire, la piste des trous noirs" ; ils proposent des TN primordiaux de masse parcourant la gamme de 0.01 à 10 000 Mo, expliquant non seulement la matière noire, mais aussi la population de TN détectés par Ligo, le petit nombre de galaxies naines satellites et l'absence de galaxies intermédiaires observées, la formation précoce des TN supermassifs... A suivre.

Bonne soirée

Frank a dit…

Bonjour Eric et Pascal,
merci pour vos réponses, l'hypothèse décrite par Pascal serait une élégante solution au problème je trouve.
Bonne journée,

Dr Eric Simon a dit…

Bonjour,

Depuis février 2018, il y a eu quelques résultats sur les trous noirs primordiaux. J'en avais parlé en février 2019, voir ici : http://www.ca-se-passe-la-haut.fr/2019/02/voyager-1-trous-noirs-primordiaux-et.html

à écouter aussi sur https://www.youtube.com/watch?v=Nd24d2JIhfo