mardi 22 octobre 2019

La grande vitesse de rotation des galaxies super-spirales


Les galaxies "super-spirales" sont les galaxies formatrices d'étoiles les plus massives connues, beaucoup plus massives que la Voie Lactée. Une équipe d'astronomes américains, sud-africains et australiens a mesuré la vitesse de rotation de 23 spécimens de ces super-spirales et trouve des rotations très rapides, indiquant la présence d'une grande quantité de matière noire, et éliminant la théorie de gravitation modifiée MOND... Une étude parue dans The Astrophysical Journal Letters.




Patrick Ogle (Space Telescope Science Institute, Baltimore) et ses collaborateurs ont utilisé le télescope sud-africain SALT (Southern African Large Telescope) pour estimer les courbes de rotation de 23 galaxies spirales géantes. Aujourd'hui, on ne connaît environ qu'une centaine de galaxies spirales géantes, la plupart découvertes grâce au grand relevé du Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
En plus d'être beaucoup plus grosses que la Voie Lactée, elles sont plus brillantes et contiennent bien plus d'étoiles. La plus grande a un diamètre de 450 000 années-lumière, presque 5 fois plus que note galaxie, et est 20 fois plus massive...
Ogle et son équipe se sont surtout intéressés à la vitesse de rotation de ces galaxies spirales hors catégorie. Ils ont complété les données spectroscopiques du télescope SALT donnant les champs de vitesse stellaires par des données en infra-rouge du télescope spatial WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer), offrant des informations sur la masse des galaxies et surtout sur leur taux de formation d'étoiles. 
Ce que les chercheurs ont trouvé, c'est que les galaxies super-spirales tournent beaucoup plus vite que des galaxies spirales comme la nôtre. La plus rapide qu'ils ont mesurée montre une vitesse de rotation tangentielle de 570 km/s, soit presque trois plus rapide que la Voie Lactée. Et ces grandes vitesses ne peuvent pas du tout (et encore moins que pour les spirales "classiques") être expliquée par la somme des masses des étoiles, du gaz et de la poussière.  La seule explication viable est la présence d'une grande quantité de matière noire dans un vaste halo entourant la super-spirale, un halo de matière noire plus grand que la moyenne, le genre de halo que l'on s'attend à rencontrer au niveau d'un amas de galaxies et pas autour d'une seule galaxie.
Dans le cas de la super-spirale la plus rapide de leur échantillon, Ogle et ses collaborateurs calculent une masse totale atteignant 4000 milliards de masses solaires pour une masse en étoiles au maximum de 600 milliards de masses solaires... 

Au delà d'une vitesse de rotation de 340 km/s, les astrophysiciens montrent que la relation de Tully-Fischer baryonique qui marche pour les galaxies spirales de faible masse n'est plus respectée. Cette relation relie la masse baryonique (étoiles + gaz) à la masse totale (la masse "dynamique") via la vitesse de rotation maximale (là où la courbe de rotation devient plate). Cette relation est visualisée par un graphe donnant en échelles logarithmiques la vitesse de rotation maximale en abscisse et la masse baryonique en ordonnée.
Cette relation montre une évolution linéaire pour un très grand nombre de galaxies, avec une pente de 3,75.  Mais les points correspondant aux super-spirales les plus massives et aux vitesses de rotation les plus élevées, s'écartent fortement de la droite de pente 3,75. L'ajustement des 23 points des super-spirales dans le graphe vitesse/masse baryonique (valeurs logarithmiques) donne une droite de pente 1,64, tandis que la sélection des 10 plus massives donne une pente de seulement 0,25!
Ces super-spirales mettent ainsi à mal la théorie de gravitation modifiée MOND, alternative à la présence de matière noire, qui stipule que la relation de Tully-Fischer baryonique devrait avoir une pente de 4 très exactement. C'est comme si les galaxies super-spirales possèdent plus de matière noire que les autres galaxies spirales en relatif par rapport à leur matière ordinaire.
Les astrophysiciens remarquent également que les super-spirales contiennent relativement peu d'étoiles, par rapport à leur masse totale. Il se pourrait ainsi que la matière noire puisse indirectement jouer un rôle inhibiteur dans la formation stellaire via l'augmentation de la vitesse de rotation de l'ensemble. Patrick Ogle et ses collègues proposent deux hypothèses : la première serait que le gaz "froid" nécessaire au collapse gravitationnel menant à la formation d'étoiles serait échauffé par la rotation, la seconde serait que la rotation rapide disloquerait directement des nuages de gaz froid, empêchant alors leur coalescence.
Mais qu'on se rassure, les super-spirales produisent tout de même de nombreuses étoiles, à un taux qui avoisine les 30 masses solaires par an, ce qui fait un taux 30 fois plus élevé que celui de la Voie Lactée...


Source

A Break in Spiral Galaxy Scaling Relations at the Upper Limit of Galaxy Mass
Patrick Ogle, et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 884, Number 1 (10 october 2019)


Illustrations

1) Echantillon de 6 galaxies super-spirales  (NASA/ESA/P. Ogle/J. DePasquale (STScI) (en haut); SDSS/P. Ogle/J. DePasquale (STScI) (en bas)

2) Graphe de la relation de Tully-Fischer baryonique (les super-spirales correspondent aux points bleu) (Ogle et al.)

11 commentaires :

Pascal a dit…

Bonjour,

Cet article est certes à verser au dossier "matière noire", mais (en admettant que son résultat, basé sur un faible échantillon, soit significatif) il laisse entière la question : pourquoi la relation de Tully Fisher (BTFR) est-elle observée sur plus de 3 ordres de grandeur, pour les Log Mb < 11.5 (Mb = 3. 10^11 Mo), sur un échantillon important d'objets très divers en taille et densité ?

Mond n'est pas une théorie, puisqu'elle est purement phénoménologique, et elle n'est clairement pas applicable aux grandes échelles. A mon sens elle ne réfute donc pas la matière noire ; mais, étant consistante avec la BTFR dans un large intervalle d'échelles, peut-être nous dit-elle quelque chose sur les relation matière baryonique-matière noire (comme le tableau de Mendeleiv nous dit quelque chose sur la chimie).

Un exemple d'une telle relation est la théorie de la matière noire superfluide dont les prédictions se rapprochent pour les courbes de vélocités des galaxies de celles de Mond, tout en en différant légèrement. Il serait interessant de voir si elle est compatible avec ces données sur les galaxies spirales géantes. Cf https://arxiv.org/abs/1711.05748.


Dr Eric Simon a dit…

Bonjour Pascal,

Pour expliquer l'accélération caractéristique qui apparaît dans la phénoménologie de MOND, tout n'est peut être qu'une histoire de feedback stellaire... , voir ce papier récent soumis à MNRAS : https://arxiv.org/abs/1910.06345

Dr Eric Simon a dit…

Notez aussi que la matière noire de type SIDM (self interacting) a des propriétés intéressantes pouvant impliquer un couplage avec les baryons (thermalisation)...

Pascal a dit…

Ok, merci Eric pour ces pistes ; feedback de la matière baryonique, SIDM, ou théories plus exotiques, on est dans une zone très spéculative...

Stéphane Le Corre a dit…

Bonjour, c'est intéressant, ils mesurent "a wide range of fast rotation speeds(240–570 km.s−1)". En p. 16 de l'article https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1503/1503.07440.pdf, la solution que je proposais (qui avait fait l'objet d'un épisode sur ce site) prévoit qu'à 100kpc on doit trouver des vitesses: 290–600 km.s−1. Pas mal, non!?

Youx a dit…

Excusez ma question basique, mais je pensais que la rotation d'une étoile ne dépendait que de l'attraction des masses qui se trouvent à l'intérieur de son orbite (un peu comme quand on descend au fond d'un puits, on ne subit plus que l'attraction de la sphère qui se trouve plus bas que nos pieds).
Or ici, on explique une rotation rapide par une masse noire qui serait autour...
Où est l'erreur?

Pascal a dit…

Pas d'erreur, Youx : "...rotation speeds (240–570 km s−1), indicating ENCLOSED dynamical masses of (0.6−4) × 1012 M ⊙". (abstract de l'article, les majuscules sont de moi). Du moins dans un cadre newtonien qui est celui de l'article,... mais qui n'est pas celui dans lequel se place Stephane Le Corre, si j'ai bien compris.

Dr Eric Simon a dit…

disons que potentiel gravitationnel du halo de matière noire permet de maintenir les étoiles dans le disque malgré leur grande vitesse. Sans cette distribution de masse invisible, une telle vitesse de rotation serait impossible pour un disque comme ça. Les étoiles seraient dispersées...

Jean-Paul a dit…

Bonjour
Il ne faut pas se presser d'enterrer MOND : il faut garder à l'esprit qu'elle n'est qu'une règle (cf Pascal) qui n'explique pas tout. Notamment elle ne suffit pas - mais contribue - à expliquer la dynamique des amas, qui exigent un phénomène au moins complémentaire à MOND. Ici je remarque - superficiellement - que ces exceptions des super galaxies spirales :
1 - sont nettement plus massives et plus étendues que celle dont MOND explique ma rotation. Rapport possible avec les amas ?
2 - sont réputées présenter assez peu d'étoiles eu égard à leur masse totale : signe de DM, ou de gaz interstellaire non visible ?
3 - continuent de fabriquer des étoiles plus que ne le font les autres galaxies : à partir de quoi sinon de gaz interstellaire, qui serait ici en proportion plus grande ?

Jean-Paul a dit…

Rebonjour
Une question. Dans l'explication des courbes de rotation par les halos de DM, la partie du vaste halo sphérique qui entoure la galaxie et dépasse les dernières orbites ne sert apparemment à rien. Si on la suppose néanmoins,est-ce bien pour donner consistance aux modèles de halos de DM , qui auraient une distribution telle qu'elle assure une diminution de la densité en 1/r2 ?

Pascal a dit…

Bonjour Jean-Paul,
Pour la dernière question, je dirais oui :
Dans un ensemble à symétrie sphérique une masse test à distance r du centre a une vitesse Keplerienne V = (GM(r)/r)^(1/2) avec M(r)=masse en dedans d'une sphère de rayon r. Donc en effet les masses extérieures à r n'influencent pas directement la vitesse à l'instant de l'observation.
Mais bien sûr la répartition des masses n'est pas quelconque ; pour la matière noire on suppose par exemple un équilibre des dispersions de vitesse aboutissant à une densité en r^a, et pour a=-2, M(r) est en r et on reproduit le plateau des vitesses orbitales des courbes de rotation (au lieu de la décroissance de V en r^(-1/2)).
Or les disques sont "exponentiels", ie leur luminosité et donc leur densité stellaire décroit exponentiellement avec r ; soit bien plus vite que r^2 ; il s'ensuit que la matière noire a un profil plus étalé que la matière stellaire...

Pour les autres questions, cf le billet d'Eric et l'abstract de référence. J'ajouterai simplement que 30 Mo d'étoiles formées par an pour une galaxie à peu près 30 fois plus massive (log M 13.6) que la notre, ce n'est pas tant que cela.