lundi 6 décembre 2021

Observation d'une nouvelle galaxie dépourvue de matière noire


En mars 2018, je vous relatais (épisode 706) une découverte qui fit couler beaucoup d'encre, celle d'une galaxie naine ultra-diffuse quasi dépourvue de matière noire, NGC 1052-DF2. Cette découverte fut suivie par une seconde du même type un an plus tard (épisode 843). Après avoir fait l'objet de nombreux doutes, on finit par comprendre que ces galaxies avaient été dépouillées de leur matière noire par l'effet de marée d'une grande galaxie proche. Aujourd'hui, c'est une nouvelle galaxie naine ultra-diffuse qui est observée par une tout autre équipe de recherche et qui apparaît totalement vide de matière noire, et cette galaxie naine est une galaxie isolée, excluant donc tout effet de dépouillement. AGC 114905 défie également le modèle de gravitation modifiée MOND. L'étude est publiée dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Les premières galaxies naines ultra-diffuses (UDG) ont été découvertes en 2015. Il s'agit de galaxies qui ont une masse comparables à celle des galaxies naines classiques mais qui sont beaucoup plus étendues. Il s'ensuit qu'elles sont beaucoup plus diffuses, et donc moins brillantes et donc difficiles à observer. Les UDGs sont surtout présentes en nombre dans les amas de galaxies massifs, mais on en trouve aussi dans des petits groupes de galaxies et même isolées dans les vides. L'omniprésence des UDG dans différents environnements indique que même si certains d'entre elles se forment par des processus liés à leur environnement proche, ce n'est pas le cas pour toutes les UDG. On pense que la population des UDGs est un mélange de galaxies de taille et de luminosité similaires mais avec des mécanismes de formation multiples. Cette idée semble d'ailleurs confirmée par des résultats issus de modèles et de simulations hydrodynamiques qui produisent des galaxies simulées de type UDG basées sur des processus physiques différents. 

NGC 1052-DF2 et DF4 sortaient clairement du lot et ne pouvaient pas être reproduites telles quelles par les simulations. Ce n'est qu'en ajoutant soit un puissant effet de marée gravitationnelle ou soit une collision galactique que les astrophysiciens sont parvenus à expliquer ce manque flagrant de matière noire qui était déduit de la dispersion des vitesses de leurs amas globulaires. Mais il y a eu d'autres cas qui ne rentraient pas dans les cas du modèle simulé. En 2017, Leisman et ses collaborateurs, puis d'autres équipes en 2018 et en 2020 ont fait une série d'observations déroutantes, qui n'ont toujours pas d'explication. Elles concernent la cinématique de l'hydrogène dans certaines UDG riches en gaz. Ces galaxies montrent des profils de la raie HI qui sont bizarrement étroits, ce qui n'est pas cohérent avec leur quantité importante de gaz mesurée par ailleurs. 

Puis en 2019 et 2020, Pavel Mancera Piña et al. ont étudié un ensemble de six UDGs riches en gaz à l'aide d'observations interférométriques de la raie HI (hydrogène neutre) à basse résolution (deux éléments par côté de galaxie). Les astrophysiciens ont ainsi obtenu les vitesses circulaires de ces galaxies, dévoilant deux caractéristiques intrigantes. Premièrement, les galaxies ont une masse baryonique 10 à 100 plus grande que les galaxies qui ont une vitesse circulaire similaire, ces UDGs s'écartent ainsi très nettement de la relation de Tully-Fisher baryonique (fonction qui relie vitesse de rotation et masse ordinaire). Deuxièmement, leur masse dynamique dans l'étendue du disque de gaz tracé par la raie HI est à peu près la même que leur masse baryonique. En d'autres termes, ces galaxies auraient des fractions de matière noire extrêmement faibles jusqu'à un rayon de 10 kpc au moins. Ces caractéristiques suggéraient que les UDG riches en gaz ont des distributions très atypiques de la masse non lumineuse, ce qui en faisait une population prometteuse pour tester les théories de la matière noire. Il faut préciser aussi que ces UDG riches en gaz avaient été sélectionnées spécifiquement pour être relativement isolées et distantes de plusieurs dizaines de mégaparsecs, de manière à éviter les effets de perturbations gravitationnelles comme ceux en jeu dans le cas de NGC 1052-DF2 et NGC 1052-DF4.

C'est l'une de ces 6 galaxies ultradiffuses isolées, riches en gaz mais apparemment pauvres en matière noire que Pavel Mancera Piña (Université de Groningen) et ses collaborateurs ont décidé de mieux caractériser par de nouvelles observations, cette fois-ci à haute résolution avec le Very Large Array (VLA), de manière à pouvoir directement mesurer la courbe de rotation du disque de gaz avec plusieurs points, par la raie d'émission HI, c'est à dire mesurer la vitesse de rotation en fonction de la distance du centre de la galaxie. Les chercheurs ont bénéficié de 40 heures d'observations entre juillet et octobre 2020. Ils atteignent une résolution angulaire 2,5 fois plus élevées que leurs précédentes observations à basse résolution, et ça change tout parce qu'ils peuvent alors mesurer 5 points entre 0 et 10 kpc du centre galactique... La forme de courbe de rotation indique tout de suite la forme du puits gravitationnel et donc de la quantité de masse présente. C'est en mesurant ce type de courbes de rotation sur la galaxie d'Andromède que Vera Rubin et Ken Ford ont décelé à la fin des années 1960 une anomalie majeure indiquant une grosse masse manquante dans les galaxies spirales.

Il s'agit ici de la galaxie nommée AGC 114905 qui se trouve à 250 millions d'années-lumière. Les astrophysiciens ont tout d'abord déterminé les principales propriétés de AGC 114905 puis ils ont fait une modélisation cinématique de la galaxie, et en ont déduit les modèles de masse résultants. Après avoir testé plusieurs hypothèses, Pavel Mancera Piña et son équipe arrivent à la conclusion que AGC 114905 a une courbe de rotation régulière qui atteint une partie plate avec une vitesse circulaire d'environ 23 km s-1. Ils confirment que cette UDG se situe bien en dehors de la relation de Tully-Fisher baryonique. Le profil de vitesse circulaire observé peut être expliqué presque entièrement par la contribution de la matière baryonique, avec peu de place pour la matière noire jusqu'à un rayon de 10 kpc. De plus, les chercheurs montrent que le profil de vitesse circulaire ne peut pas être reproduit par un halo standard de matière noire froide.

Mancera Piña et ses collaborateurs se sont alors amusés à tester si la rotation de AGC 114905 pouvait être reproduite dans le cadre de MOND. Le résultat est négatif : ils trouvent un décalage significatif sur la normalisation et la forme de la courbe de rotation MOND par rapport aux observations. La géométrie du système (supposé être un disque axisymétrique incliné) est la principale source d'incertitude dans les résultats. L'inclinaison de AGC 114905 (32 ± 3 ◦ ), que les astrophysiciens mesurent à partir de la carte de la raie HI indépendamment de sa cinématique, est un point de vigilance sur les résultats, sa surestimation pouvant modifier les résultats de vitesse de rotation.
Mais Mancera Piña et ses collaborateurs démontrent avec un certain nombre de preuves indépendantes que l'inclinaison ne peut pas être surestimée au point de changer significativement les résultats obtenus. Les efforts pour observer un autre UDG riche en gaz à une résolution spatiale similaire mais qui a une inclinaison plus élevée sont d'ores et déjà en cours selon ce qu'annonce Pavel Mancera Piña dans sa conclusion. Le fait que les six UDG étudiées à partir de 2019, qui ont différentes inclinaisons, montrent le même comportement dans leur rotation, plaide en faveur de leur caractère réellement exotique et suggère que les résultats obtenus ne sont pas le sous-produit d'incertitudes systématiques. Les résultats précédents sur ces UDG riches en gaz sont renforcés par cette étude fine sur l'une d'entre elles : elles ont bien une dynamique surprenante qui indique une quasi totale absence de matière invisible. 

Cette observation de l'absence de matière noire dans des galaxies ultra-diffuses riches en gaz est très intéressante car elle pourra potentiellement fournir des indices révélateurs pour comprendre la nature de la matière noire, qui peut être présente ou absente dans les galaxies, outre le fait que cette observation permet de rejeter une solution à gravitation modifiée. En attendant, il est fort à parier que l'encre va encore couler à flot... 

Source

No need for dark matter: resolved kinematics of the ultra-diffuse galaxy AGC 114905
Pavel E. Mancera Piña et al. 
accepté pour pubilcation dans Monthly Notices of thje Royal Astronomical Society


Illustrations

1. AGC 114905, l'émission de l'hydrogène neutre est en vert  (Javier Román & Pavel Mancera Piña)
2. Courbe de rotation (profil de la vitesse circulaire), expliquée uniquement par la présence du gaz et des étoiles sans avoir recours à l'ajout de matière noire (Mancera Piña et al.) 

3 commentaires :

Pascal a dit…

Bonjour,

Il semble que Les UDGs soient finalement une classe phénoménologique, incluant des galaxies de nature et d'histoire très différentes, n'ayant en commun que leur faible brillance de surface, d'origine soit cinématique, soit compositionnelle (faible proportion de matière stellaire, le reste étant dominé tantôt par la matière noire, tantôt par le gaz).

Petit point terminologique : " ce manque flagrant de matière noire qui était déduit de la vitesse de dispersion de leurs amas globulaires" ; ne s'agit-il pas plutôt de la dispersion des vitesses, traduction de "velocity dispersion" ? Les Anglais ont la fâcheuse tendance à inverser l'ordre des mots, comme le savent bien tous les lecteurs d'Asterix chez les Bretons...

Jean-Paul a dit…
Ce commentaire a été supprimé par l'auteur.
Jean-Paul a dit…
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