Ces galaxies bizarres manquent de matière noire

Dans l’équivalent cosmique d’un coup de poing total, deux galaxies sont entrées en collision il y a environ huit milliards d’années et se sont expulsées de gaz.

C’est la dernière explication d’un mystère cosmique qui fait se gratter la tête aux astronomes depuis 2018 : deux galaxies sombres et gonflées qui semblent complètement dépourvues de matière noire. De nouvelles observations suggèrent que ces galaxies pourraient faire partie d’une chaîne d’objets tout aussi bizarres – les débris du fracas galactique.

Des études détaillées sur ces deux galaxies, appelées DF2 et DF4, avaient précédemment révélé qu’elles étaient habitées par d’étranges amas d’étoiles lumineuses. Mais les scientifiques ont du mal à expliquer comment ces galaxies pourraient exister, car la matière noire, qui représente plus de 80% de la matière de l’univers— est considéré comme un ingrédient essentiel pour la construction des galaxies.

Une nouvelle théorie d’une équipe dirigée par l’Université de Yale Pieter van Dokkum suggère que l’épave cosmique peut expliquer ces bizarreries spatiales, ainsi que d’autres caractéristiques du champ de débris. “Pendant la collision, le gaz est dépouillé et choqué, et il se transforme en cet environnement chaotique sans matière noire pour le maintenir ensemble”, explique van Dokkum. “Et puis des parties de ce gros nuage de gaz irrégulier peuvent se séparer du reste du nuage de gaz et former leurs propres petites galaxies.”

Le scénario envisagé par van Dokkum et ses collègues devra être confirmé par de futures observations. Mais si c’est exact, c’est une façon élégante d’expliquer comment une si étrange chaîne de galaxies a émergé. Et comme décrit récemment dans la revue La naturecette collision galactique pourrait même aider les scientifiques à comprendre certaines propriétés fondamentales de la matière noire elle-même.

“Pour moi, cela sonne comme la vérité”, déclare van Dokkum. “C’est une explication très simple qui est la seule chose jusqu’à présent qui explique ce large éventail de propriétés – que nous avons des amas globulaires [of stars]deux galaxies identiques qui n’ont pas de matière noire, cette étrange traînée que nous avons maintenant trouvée – tout va bien.

La matière invisible de l’univers

Normalement, la majeure partie du poids d’une galaxie provient de la matière noire. A la fin des années 1960, l’astronome Vera Rubin surprend tout autant quand elle a déduit que quelque chose de massif et d’invisible devait empêcher les étoiles à la périphérie de la galaxie d’Andromède de s’envoler dans l’espace. Sans cette colle gravitationnelle, ces étoiles seraient perdues, tout comme les étoiles sur les bords de plusieurs autres galaxies en rotation.

Un demi-siècle après les travaux de Rubin, les astronomes n’ont toujours jamais observé directement la matière noire. Il n’émet ni ne reflète la lumière. Il n’interagit pas directement avec la matière ordinaire, bien que sa gravité affecte le comportement des objets observables tels que les étoiles et les galaxies. Les scientifiques pensent aussi que la matière noire est nécessaire pour que les galaxies accumulent suffisamment de gaz pour commencer à accoucher d’étoiles.

Mais en 2018, van Dokkum a repéré une galaxie appelée NGC1052-DF2, ou DF2 en abrégé, qui semblait extrêmement déficient en matière noire. À environ 72 millions d’années-lumière, près d’une grande galaxie elliptique, DF2 était principalement sombre et diffuse, parsemée d’un éventail inhabituel d’amas d’étoiles massifs extrêmement brillants. Lorsque van Dokkum et ses collègues ont calculé la masse de la galaxie, ils ont réalisé que DF2 contenait au plus un brin de matière noire.

“La découverte initiale était en effet surprenante, également pour nous – nous n’avions aucune explication pour cet objet”, déclare van Dokkum. “Et donc nous avions cet objet que nous ne pouvions pas expliquer, mais nous avons ensuite continué à l’utiliser, essentiellement, pour faire beaucoup de déclarations sur des sujets importants, et je pense que cette combinaison a fait que beaucoup de gens se sont assis et ont remarqué, mais soyez également sceptique.

Depuis lors, van Dokkum et ses collègues ont vérifié bon nombre des caractéristiques observées à l’origine dans la galaxie. “Nous avons eu de la chance d’avoir raison – il n’était pas nécessaire que ce soit ainsi”, déclare van Dokkum en riant. Et en 2019 ils ont repéré une autre galaxie dans le même groupe, appelé DF4, qui est presque à l’identique particulier. Elle aussi est faible et diffuse, apparemment déficiente en matière noire et ponctuée d’étranges amas d’étoiles.

« Vous avez deux galaxies qui sont toutes les deux uniques, par elles-mêmes. Il n’y a aucune autre galaxie dans l’univers qui leur ressemble, sauf l’autre », déclare van Dokkum.

Un autre groupe d’astronomes a repéré au moins une autre galaxie qui semble être étrangement pauvre en matière noirebien que l’orientation de cette galaxie la rende plus difficile à mesurer que DF2 et DF4.

Mais la vraie question est, comment diable ces étranges galaxies se sont-elles formées en premier lieu ?

Remonter l’horloge astronomique

En 2019 et 2020, van Dokkum et ses collègues ont visé le Le télescope spatial Hubble à DF2 et DF4. Ils ont réalisé que DF2 était beaucoup plus loin et que les deux galaxies géniales s’éloignaient l’une de l’autre. Cela signifie que si vous rejouiez les mouvements de ces galaxies en rembobinant, elles finiraient par converger vers le même point dans l’espace : le site supposé d’une ancienne collision à grande vitesse.

Lorsque les deux galaxies d’origine sont entrées en collision, leurs fractions de matière noire ont continué à avancer, zoomant dans l’espace comme si de rien n’était. Mais tout leur gaz s’est retrouvé dans un tas désordonné, chaud et à haute pression – le type exact d’environnement où de grands amas massifs d’étoiles comme ceux de DF2 et DF4 peuvent se former.

Simulations de telles collisions suggèrent que le tas de gaz initial s’est brisé en morceaux et s’est étalé sur des milliards d’années, laissant une traînée de faible poids plume galaxies. Et quand van Dokkum et ses collègues ont jeté un coup d’œil à une image profonde du groupe NGC 1052ils ont trouvé jusqu’à 11 galaxies, dont DF2 et DF4, d’affilée.

“Nous avons eu ces observations déroutantes, et tout à coup elles ont cliqué, puis nous avons eu ces prédictions, comme si vous deviez voir plus de galaxies le long de cet axe, puis nous les avons vues”, explique van Dokkum.

En fin de parcours se trouvent deux galaxies qui, selon van Dokkum, pourraient être les restes riches en matière noire des galaxies en collision d’origine, mais confirmant que ce sera un défi car les galaxies sont très faibles et difficiles à observer en détail.

Démêler les indices dans le ciel

Même si des questions subsistent sur cet empilement galactique potentiel, certains scientifiques pensent que c’est une explication plausible de la formation et de la croissance de ces galaxies déficientes en matière noire.

“C’est attrayant pour plusieurs raisons”, dit-il Mike Boylan-Kolchin de l’Université du Texas à Austin, qui étudie la matière noire et la formation des galaxies. “Le plus important est qu’il explique plusieurs aspects du système simultanément.”

Si le scénario est correct, ajoute Boylan-Kolchin, cela aide les astronomes à mieux comprendre à quel point la matière noire est “collante” – si elle s’ignore comme si elle ignore la matière ordinaire, ou s’il existe un certain degré d’auto-interaction. Et, dit-il, une conséquence particulièrement intéressante de la collision galactique est qu’elle explique les amas d’étoiles impairs dans DF2 et DF4.

“L’une des grandes énigmes de ces systèmes est qu’ils semblent avoir ces amas d’étoiles très massifs, et pourquoi cela devrait-il être?” dit Boylan-Kolchin. “Cette collision galaxie-galaxie vous donne vraiment le mécanisme pour produire l’ensemble supplémentaire d’amas plus massifs.”

D’autres astronomes, cependant, ne sont pas encore aussi convaincus.

“C’est en quelque sorte le début d’un grand mystère”, déclare le professeur de l’Université de Surrey. michelle colins, qui étudie la formation des galaxies. Elle dit que le scénario est extrêmement spéculatif à ce stade, et nous ne savons pas si les galaxies progénitrices proposées contenaient suffisamment de masse pour produire ce que van Dokkum et ses collègues observent.

Connaître les distances par rapport aux 11 galaxies qui composent la supposée traînée de débris est également crucial pour tester si elles font partie du même système ou si elles sont alignées par hasard d’une manière qui les fait simplement sembler liées – de la même manière étoiles à sauvagement différentes distances de la Terre peuvent apparaître proches dans les constellations.

“Il n’y a tout simplement pas assez de données pour exclure que ces galaxies ne sont pas une constellation que nous voyons”, dit-elle. “Il est tentant d’attribuer un sens aux modèles.”

Confirmer la théorie des collisions prendra du temps, mais van Dokkum dit qu’elle a des prédictions vérifiables. Par exemple, il souhaite étudier les amas d’étoiles dans DF4 et comparer leurs âges à ceux de DF2. Si ces âges correspondent, cela suggérerait fortement que les deux galaxies partagent une histoire d’origine.

Il va également diriger Hubble vers d’autres membres présumés de la piste de débris pour voir s’ils ont les mêmes amas d’étoiles étranges, ainsi que mesurer leur mouvement et leurs distances pour déterminer s’ils font en fait partie de la même structure.

Si lui et l’équipe ont de la chance, ils pourraient même examiner de près les deux galaxies faibles à chaque extrémité de la piste et tenter de déterminer s’il s’agit des vestiges dominés par la matière noire des galaxies d’origine. Mais c’est un projet qui devra peut-être attendre la prochaine génération de télescopes au sol – ou la NASA Télescope spatial James Webb.

“Ce serait incroyable”, dit van Dokkum. “Mesurer ces galaxies serait le Saint Graal de ce système.”

Leave a Reply

Your email address will not be published.