jeudi 19 mai 2022

Une collision galactique pour expliquer les galaxies dépourvues de matière noire


Le mystère soulevé il y a quelques années par la découverte de deux galaxies naines quasi dépourvues de matière noire (NGC 1052-DF2 et DF4) vient de trouver une belle explication par l’équipe qui les avait découvertes. L’observation d’une dizaine d’autres petites galaxies très similaires dans la zone ainsi que de deux autres aux caractéristiques particulières permet de tracer un scénario de collision violente entre deux petites galaxies aux abords de la grande NGC1052. L’étude est publiée dans Nature aujourd’hui. 

Lorsque deux systèmes composés à la fois de matière ordinaire (baryonique) et de matière noire entrent en collision frontale, la matière ordinaire interagit avec elle-même, produisant de la diffusion, des transferts d’énergie et des changements de direction, mais la matière noire, elle, n’interagit pas avec la matière ordinaire et a priori pas non plus avec elle-même. Des galaxies naines, composées de gaz, d’étoiles et de beaucoup de matière noire qui subiraient une telle collision frontale peuvent alors se retrouver dépouillées de grandes quantités de gaz et d’étoiles, tout en conservant leur matière noire. C’est l’équivalent à l’échelle galactique de ce qui est observé dans l’amas de galaxies du Boulet, où une collision d’amas laisse derrière elle une distribution spatiale différente entre matière baryonique et matière noire. Et ces grosses quantités de gaz et d’étoiles issues d’une telle collision frontale de galaxies naines peuvent ultérieurement se reconcentrer et former de nouvelles étoiles, de quoi former une nouvelle petite galaxie, qui, elle, sera dépourvue de matière noire.
C’est à l’aide de ce scénario qui a été proposé par Joe Silk en 2019 pour expliquer l’existence de DF2 que Pieter Van Dokkum (Yale University) et son équipe parviennent à expliquer de nombreux faits observationnels dans la zone de DF2 et DF4, et aussi pourquoi ces deux galaxies naines possèdent autant d’amas globulaires très brillants. La collision se serait déroulé il y a 8 milliards d’années à la vitesse de 300 km/s, une vitesse nécessaire, d’après les simulations, pour séparer le gaz de la matière noire, et qu’il soit en quantité et en densité suffisantes pour créer une trainée de galaxies naines ultra-diffuses dont DF2 et DF4 seraient deux composantes. Le modèle indique qu’il devrait exister une suite d’une dizaine de galaxies naines comme DF2 et DF4, dont les deux extrémités doivent abriter les restes des deux galaxies qui ont subi la collision frontale comme l’ont montré Shin et Lee en 2020 et en 2021.
Et justement, Dokkum et ses collaborateurs ont identifié non seulement une série de 7 à 11 galaxies naines ultra-diffuses qui s’étendent dans le même axe que la ligne qui relie DF2 et DF4, mais aussi deux galaxies aux formes inhabituelles qui se trouvent aux extrémités de cette trainée de galaxies : RCP32, en forme de blob et DF7, très allongée dans la direction de la trainée. Ces deux résidus, au contraire, doivent se trouver très enrichies en matière noire, par rapport à la matière ordinaire. RCP 32 serait la progénitrice à l’origine riche en gaz qui n’était pas liée à NGC 1052, et DF7, qui est plus brillante, pourrait être la seconde progénitrice, qui aurait été une galaxie satellite de NGC 1052 au moment de la collision. Son élongation actuelle est comprise par les chercheurs comme étant l’effet des puissantes forces de marée qu’elle aurait subi lors de la collision frontale. 


Par ailleurs, Van Dokkum et al. remarquent que DF2 et DF4 sont séparées de 2,1 mégaparsecs et s'éloignent l'une de l'autre avec une vitesse relative de 358 km s-1, une valeur similaire à la valeur proposée dans le modèle de la collision.
À partir des positions relatives et des vitesses de DF2 et DF4, ainsi que de l'âge estimé de DF2, les auteurs ont retracé les trajectoires de DF2 et DF4 dans le temps et montrent que les deux pourraient effectivement s’être rencontrées il y a 8 milliards d’années. Le scénario qui est proposé ici fait donc des prédictions sur les propriétés des produits de la collision, et des observations supplémentaires vont pouvoir tester et affiner cette explication. Si la formation de DF2 et DF4 a été déclenchée par un seul événement, l’âge des amas globulaires de DF4, qui n'a pas encore été mesuré, devrait être identique à celui des amas de DF2 (qui vaut 9 ± 2 milliards d’années). Un test rigoureux et indépendant du modèle consistera donc à comparer directement les spectres (moyennés) des amas dans les deux galaxies ; toute différence claire pourrait falsifier le modèle, en particulier des différences dans les caractéristiques spectrales sensibles à l'âge. En ce qui concerne les autres galaxies qui forment la trainée dans l’axe reliant DF2 et DF4, leur cinématique est prédite pour être cohérente avec les modèles à baryons seuls à l'exception de RCP 32 et DF7, qui devraient montrer des preuves d'une fraction de baryons exceptionnellement faible. Leur vitesse radiale et leur distance est également prédite par le modèle de collision, et cette mesure permettra de le tester. Il n’est pas exclu non plus que d’autres galaxies légèrement en dehors de l’axe de la trainée en fasse en fait aussi partie, Van Dokkum et ses collaborateurs mentionnent le cas de la galaxie DF1, qui ne se trouve qu’à 14’ de l’axe DF2-DF4 et qui très allongée vers le centre de la traînée. Si ce beau modèle se confirme, des cas semblables de collisions de galaxies permettront d’apporter de nouvelles contraintes observationnelles sur la section efficace d’interaction de la matière noire avec elle-même. Le cas de l’amas de galaxies du Boulet avait donné une limite supérieure mais il est important d’obtenir une nouvelle contrainte à beaucoup plus petite échelle, celle des galaxies naines qui sont réputées être riches en matière noire. Heureusement, ce type de collisions de galaxies naines semble plus fréquent que les collisions d’amas de galaxies. En faisant tourner la simulation IllustrisTNG30 pour rechercher des progéniteurs plausibles de DF2 et DF4, Eun-Jin Shin et al. avaient par exemple obtenu 248 collisions frontales à haute vitesse dans un cube d’univers de 100 Mpc de côté dans leur étude de 2020. Il ne reste plus maintenant qu’à trouver leurs traces dans l’Univers réel, qu’elles soient riches ou pauvres en matière noire… 

Source

A trail of dark-matter-free galaxies from a bullet-dwarf collision
Pieter van Dokkum et al. 
Nature volume 605, pages435–439 (19 may 2022)


Illustrations 

1. Schéma su processus de collision entre deux galaxies naines ayant produit la création d'une série de galaxies naines ultradiffuses dépourvues de matière noire (Van Dokkum et al.)
2. Images des galaxies ultra-diffuses identifiées formant une trainées entre DF2 et DF4 (Van Dokkum et al.)  

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