Les jeunes galaxies sont peu influencées par la matière sombre

Une observation importante vient d’être effectuée sur un lot de galaxies lointaines (10 milliards d’années-lumière). Pour la première fois, leurs vitesses de rotation ont pu être mesurées et elles montrent une quasi absence de matière sombre…

La mise en évidence de l’existence d’une anomalie gravitationnelle, qui a mené au concept de matière sombre a été fondée sur l’observation de la rotation des galaxies, principalement situées dans l’Univers proche. Le tracé de la vitesse de rotation des étoiles et du gaz en fonction de la distance radiale dans la galaxie, ce qu’on appelle la courbe de rotation, montre une forme aplatie en fonction de la distance radiale. Mais si la masse de la galaxie correspondait à ce qui est visible (les étoiles et le gaz) et avec notre théorie de la gravitation, cette courbe devrait décroître après être passée par un maximum.

Et voilà qu’une équipe d’astrophysiciens européens a réussi à mesurer la vitesse de rotation sur des grandes galaxies situées non plus dans notre voisinage, mais à 10 milliards d’années-lumière, et surprise : les courbes de rotation qu’ils obtiennent ne sont pas plates mais passent par un maximum puis décroissent, de manière très semblable au cas où il n’y aurait pas de matière sombre. Reinhard Genzel (Max Planck Institut für Extraterrestriesche Physik) et ses collaborateurs ont exploité le Very Large Telescope de l’ESO pour mesurer les décalages spectraux d’un côté et de l’autre  des galaxies d’un lot de six, toutes situées dans l’Univers âgé de 3,5 milliards d’années. La méthode est semblable à celle qu’avait utilisée Vera Rubin il y a 50 ans sur la galaxie d’Andromède.

Les six galaxies observées ici sont certes lointaines mais déjà assez évoluées et de taille importante. Ces galaxies sont idéalement choisies car d’une part elles se trouvent en pleine période de formation d’étoiles (elles produisent entre 50 et 200 nouvelles étoiles par an), typiques des galaxies trouvées à cette époque cosmiques, et d’autre part la masse totale en étoiles qu’elles contiennent est à peu près similaire à ce qu’on trouve dans la Voie Lactée, ce qui indique qu’elles devraient évoluer vers les galaxies spirales ou sphéroïdales classiques d’aujourd’hui et sont donc de bons exemples pour comprendre l’évolution de ces galaxies, et de la nôtre au premier chef.  

Les chercheurs montrent grâce à leurs observations de la raie Hα effectuées avec les spectrographes SINFONI (Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared) et KMOS (K-band Multi-Object Spectrograph) installés sur l’un des télescopes de 8,2 mètres du VLT au Chili, que l’hydrogène a une vitesse de rotation qui est très bien expliquée par la masse visible, sans avoir besoin de grandes quantités de matière sombre, et même, pour deux des six galaxies étudiées, une fraction de matière sombre que l’on peut qualifier de « négligeable ». Les courbes de rotation décroissent vite en fonction du rayon galactique, la vitesse de rotation atteint pour certaines galaxies une valeur d’un tiers de la vitesse de rotation maximale à la plus grande distance mesurable. Quelques cas de courbes de rotation décroissantes ont été observées dans des galaxies proches, des galaxies compactes, à forte densité de surface ou possédant un gros bulbe central dans leur disque, mais la vitesse ne décroissait jamais en dessous de 0,8 fois la vitesse maximale…

Pour expliquer cette apparente absence de matière sombre sans toutefois remettre en cause le concept de masse manquante, Reinhard Genzel et ses collègues proposent une double hypothèse : d’abord, la plupart des galaxies massives de cette époque seraient fortement dominées par la matière normale. La matière noire sera bien là mais encore très diffuse, beaucoup moins concentrée que le gaz et les étoiles. Ensuite, les disques galactiques de ces galaxies seraient beaucoup plus turbulents que les disques des belles galaxies spirales de l’Univers local, ce qui aurait pour effet de réduire la vitesse de rotation de la matière ordinaire, surtout dans les cas où la matière sombre est encore assez diffuse. Les chercheurs montrent d’ailleurs que ces effets seraient de plus en plus prononcés lorsque l’on recule dans le temps (et augmente la distance).

Pour être sûrs que les 6 galaxies étudiées ne sont pas des cas exceptionnels, les astronomes ont regardé un paquet d’une centaine de galaxies du même type avec moins de résolution pour obtenir une image moyennée, et le résultat est une confirmation que l’effet observé sur les 6 doit être commun.

Ainsi, d’après Grenzel et ses collaborateurs, 3 à 4 milliards d’années après le Big Bang, le gaz dans les galaxies se serait déjà condensé efficacement en disques mais la matière noire autour d’eux formerait des halos beaucoup plus vastes et diffus. Cette matière sombre aurait ensuite pris plusieurs milliards d’années supplémentaires pour se concentrer à son tour et finir par dominer les galaxies d’aujourd’hui, en accélérant leur rotation au passage…

Cette observation inédite et étonnante donne de précieuses informations et est un pas important dans la compréhension du processus de formation des grosses galaxies comme la nôtre et surtout sur le comportement et le rôle de la matière sombre dans ce processus.

Référence

Strongly baryon-dominated disk galaxies at the peak of galaxy formation ten billion years ago

R. Genzel et al.

Nature 543, 397–401 (16 March 2017)

http://dx.doi.org/10.1038/nature21685

Illustrations

1) Schéma indiquant la forme des courbes de rotation pour une galaxie proche (Andromède) et une galaxie lointaine : en jaune l'effet de la matière visible, en bleu l'effet de la matière sombre, en rouge la somme des deux (Nature)

2) Fraction de matière sombre au rayon moitié du rayon observable, en fonction de la vitesse de rotation. Les galaxies étudiées sont représentées par les ronds bleus (Grenzel et al./Nature)