Dans une nouvelle étude publiée dans The Astrophysical Journal , une équipe d'astronomes de Yale décrit une galaxie naine située à 45 millions d'années-lumière de la Terre, appelée NGC 1052-DF9 , qui est la troisième galaxie découverte dépourvue de matière noire, après ses galaxies voisines DF2 et DF4. Ces trois petites galaxies semblent s'être formées par le même mécanisme de séparation du gaz et de la matière noire.
Selon le modèle standard de formation des galaxies, celles-ci se forment au sein de vastes halos de matière noire, à partir de gaz qui se refroidit et donne naissance à des étoiles. On considère que la quasi-totalité des galaxies sont gravitationnellement dominées par la matière noire. La proportion de matière noire dans une galaxie dépend de sa masse ; les galaxies naines de faible masse sont les plus riches en matière noire, car leurs faibles vitesses de libération permettent aux supernovas et autres mécanismes de rétroaction de chauffer et d’éjecter efficacement le gaz. De ce fait, ces galaxies possèdent généralement des halos de matière noire plus de 100 fois plus massifs que leur masse stellaire.
La découverte en 2018 et 2019 par Pieter van Dokkum et al. de deux galaxies faibles dépourvues de matière noire, NGC 1052-DF2 et NGC 1052-DF4 (qu’on appellera DF2 et DF4), a remis en question ce tableau. Outre le fait que leur masse totale est cohérente avec leur masse stellaire seule, ces deux galaxies possèdent des amas globulaires extrêmement lumineux et sont des galaxies ultradiffuses et spatialement étendues. L'ensemble de ces propriétés distinguait DF2 et DF4 de toutes les autres galaxies connues jusqu'alors.
Pieter van Dokkum et ses collaborateurs ont ensuite découvert en 2022 que DF2 et DF4 font partie d'un alignement linéaire étroit et statistiquement significatif d'une dizaine de galaxies peu lumineuses qui se trouvent toutes dans le champ de la grande galaxie NGC 1052. Un tel alignement linéaire, si resserré par rapport à son environnement local, est unique parmi les catalogues d'objets diffus. Les astrophysiciens ont également constaté que les galaxies de l'alignement sont cinématiquement liées : leurs vitesses augmentent linéairement en fonction de leur position le long de l'alignement, suivant la tendance prédite par les positions et les vitesses de DF2 et DF4. Cela suggère fortement que les autres galaxies de l'alignement ont une origine commune, probablement formées conjointement avec DF2 et DF4. En suivant ce raisonnement, on peut supposer que ce qui a causé l'absence de matière noire dans DF2 et DF4 aurait également causé l'absence de matière noire dans les autres galaxies de l’alignement.
Il est à noter qu'un alignement similaire de galaxies avait déjà été observé dans des simulations en 2020 et 2021 (E.-j. Shin et al. 2020 ; J. Lee et al. 2021 ). Il s’agissait d'un scénario de formation de galaxies proposé par J. Silk en 2019 dans lequel des galaxies dépourvues de matière noire se forment à partir de gaz séparé de sa matière noire originelle suite à une collision à grande vitesse. Cet analogue de l'amas de la Balle à l'échelle des galaxies naines explique à la fois les amas globulaires extrêmement lumineux de DF2 et DF4 et leurs grandes tailles, ainsi que le fait que ces amas globulaires soient presque monochromatiques. Des simulations complémentaires réalisées après la découverte de la traînée des 9 galaxies naines ont confirmé que celle-ci, notamment ses vitesses radiales relatives, ses distances relatives et son âge, est tout à fait compatible avec une formation conjointe suite à une unique collision à grande vitesse entre deux galaxies naines « balles » (J. Lee et al. 2024 ; MA Keim et al. 2025 ). Mais, la prédiction la plus importante de ce scénario, à savoir que les autres galaxies de la traînée, outre DF2 et DF4, sont également dépourvues de matière noire, puisque formées à partir du même gaz dépourvu de matière noire, restait à vérifier.
La principale raison pour laquelle la masse des 7 galaxies restantes n'a pas été mesurée jusqu’à aujourd’hui, c’est leur faible luminosité et leur nature diffuse. DF2 et DF4 ont été découvertes en premier car ce sont les galaxies les plus brillantes de la traînée, même si DF2 et DF4 sont ultradiffuses. Les autres galaxies sont jusqu'à 100 fois plus faibles, ce qui rend très difficile la mesure de leurs vitesses radiales et presque impossible la mesure de leur cinématique interne. De plus, la résolution spectrale requise pour mesurer avec précision les faibles masses des galaxies de la traînée est encore plus élevée, étant donné que la dispersion des vitesses suit la relation σ² ∝ M.
Mais tout n’est pas perdu car il existe une galaxie de la traînée pour laquelle il est possible de mesurer une dispersion des vitesses : NGC 1052-DF9 (DF9). DF9, est l'analogue le plus proche de DF2 et DF4, avec une luminosité, une taille et une population d'amas brillants similaires. Les dispersions attendues des étoiles et de la matière noire dans DF9 sont très similaires à celles de DF2 et DF4, ce qui rend idéales les techniques utilisées récemment pour mesurer les dispersions de DF2 et DF4 avec l'imageur Cosmic Web (KCWI) du télescope Keck II.
Michael Keim, doctorant de Pieter van Dokkum (Yale) a ainsi proposé une analyse approfondie avec l'imageur Cosmic Web de l'observatoire Hawaïen.
Keim et ses collaborateurs ont mesuré les mouvements des étoiles au sein de DF9 afin de déterminer sa masse. Ils ont constaté que DF9 possède une masse équivalente à 100 millions de masses solaires, ce qui correspond à la quantité attendue de matière visible dans une galaxie de cette taille, et rien d'autre. Si DF9 contenait également la quantité attendue de matière noire, sa masse serait supérieure à 10 milliards de masses solaires.
Selon les chercheurs, l'absence de matière noire dans DF9 suggère fortement que DF2, DF4 et DF9 se sont formées simultanément lors d'un événement violent, comme une collision à grande vitesse entre galaxies. Dans ce scénario, la collision aurait séparé le gaz de la matière noire des galaxies, et ce gaz aurait ensuite formé de nouvelles galaxies, suivant une trajectoire linéaire.
Si DF2, DF4 et DF9 étaient les seules galaxies connues, on ne pourrait pas conclure à la nécessité de la matière noire. Pour ces trois galaxies, leur masse dynamique, déduite du mouvement gravitationnel de leurs étoiles, est cohérente avec leur masse stellaire, estimée à partir de la lumière qu'elles émettent. Bien que, compte tenu des incertitudes de mesure, leurs masses dynamiques soient compatibles avec une légère surmasse par rapport à celle estimée photométriquement à partir de leurs étoiles, les fractions baryoniques qui en résulteraient seraient plusieurs fois supérieures à la fraction baryonique universelle.
Alors que presque toutes les autres galaxies naines étudiées jusqu'à présent sont fortement dominées par la matière noire, il est remarquable de constater que DF2, DF4 et maintenant DF9 semblent toutes dépourvues de matière noire et font partie d'un même alignement étroit de galaxies cinématiquement connectées. Il est quasiment certain pour Keim, Van Dokkum et leurs collaborateurs que cet ensemble de galaxies s'est formé simultanément, selon un mécanisme à l'origine de leur déficit en matière noire.
On l’a dit, l'absence de matière noire dans DF9 constituait une prédiction spécifique et originale du modèle de collision à grande vitesse de galaxies naines. Néanmoins, il existe d'autres théories de formation potentielles avec une certaine probabilité d'expliquer la traînée galactique observée. Parmi celles-ci figurent le scénario d’un gaz éjecté par des quasars, le scénario de galaxies naines formées le long de structures de marée créées par la fusion de galaxies massives ou encore l'arrachement par effet de marée d'un flux de galaxies en chute libre. Ces modèles alternatifs impliquent généralement une formation « descendante », les baryons étant séparés de leur halo de matière noire originel par des interactions avec d'autres galaxies ; par conséquent, tous s'attendraient à ce que DF9 soit dépourvue de matière noire. Il est à noter que la trajectoire de NGC 1052 avant sa découverte n'avait été prédite que par le modèle de collision à grande vitesse.
Keim et ses collaborateurs estiment bien sûr qu’il serait intéressant d'étendre leurs mesures aux galaxies de la traînée restantes, mais ils annoncent déjà que ce sera très difficile. Grâce aux résultats de DF9, on a désormais mesuré les dispersions de toutes les galaxies de la traînée qui ont une masse supérieure à 100 millions M⊙ ; les autres galaxies de la traînée ont des masses stellaires comprises entre 4 et 30 millions M⊙ et des dispersions de seulement 1 à 4 km s⁻¹ . Une autre piste pour mieux comprendre ce système consisterait à mesurer la distribution spatiale et la cinématique du gaz neutre et ionisé au sein du groupe. Si certaines galaxies de la traînée restantes contiennent du gaz, cela pourrait fournir des contraintes dynamiques pour des objets trop faibles pour être observés par spectroscopie optique. De telles données pourraient également révéler si du gaz résiduel issu de la collision initiale de la galaxie naine « balle », coïncidant avec la traînée, est encore visible. Ce serait une preuve irréfutable de cet événement. De plus, une contrainte sur le contenu en gaz des trois galaxies avec une cinématique mesurée permettrait de mieux contraindre leurs masses baryoniques totales, et pourrait même aider à distinguer entre les modèles de matière noire.
L'absence de matière noire dans DF9 constituait une prédiction forte, potentiellement invalidante, qu’avaient faite P. van Dokkum et al. en 2022, après la découverte de la trainée et l'hypothèse d'une formation lors d'une collision à grande vitesse entre deux galaxies naines « balle ». Sans cette théorie, DF9 n'aurait suscité aucun intérêt. Quoi qu'il en soit, cette troisième galaxie dépourvue de matière noire représente l'extrême limite de la formation galactique et s’avère essentielle à la compréhension de la nature de la matière noire.
Cela indique aussi que la matière noire est bien une substance physique qui peut agir indépendamment de la matière ou des gaz ordinaires, ce qui remet fortement en question les théories alternatives selon lesquelles la matière noire serait juste un effet de gravité modifiée…
Source
Une troisième galaxie dépourvue de matière noire le long d'une traînée de galaxies dans le champ NGC 1052
Michael A. Keim et al.
The Astrophysical Journal volume 1004 (16 juin 2026)
https://doi.org/10.3847/1538-
Illustration
1. DF9 dans son environnement ( Keim et al.)
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