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Les avatars de la matière noire : (3) Les galaxies

La rotation des galaxies

Les étoiles des galaxies spirales ne sont pas statiques mais ont un mouvement circulaire autour du centre. La force centrifuge due à cette rotation compense la force de gravitation, c'est elle qui empêche les étoiles de s'effondrer vers le cœur des galaxies.

 

Galaxies spirales, l'une vue de face (à gauche), l'autre de profil (à droite).

A une distance donnée du centre de la galaxie, la vitesse de rotation est donc reliée à  l'attraction gravitationnelle en cet endroit, et donc aussi à la distribution de masse dans la galaxie. C'est analogue à ce qui se passe dans le système solaire : la vitesse de rotation des planètes est fixée par la masse du Soleil et la distance qui les en sépare.

On peut mesurer la vitesse de rotation (grâce au décalage spectral appelé effet Doppler) pour chaque distance par rapport au centre de la galaxie ; on obtient alors une courbe de rotation, qui est elle aussi déterminée par la distribution de masse.  Or, si on calcule la courbe de rotation due à l'attraction gravitationnelle de tout ce qu'on observe dans les galaxies -- les étoiles, le gaz interstellaire, les nuages moléculaires, les poussières--, on trouve que la vitesse de rotation calculée est plus petite que celle qu'on observe, en particulier dans les régions externes des galaxies. Les calculs indiquent que la courbe de rotation devrait décroître aux grandes distances, alors qu'on observe qu'elle est constante dans la plupart des galaxies observées.

Images d'une galaxie spirale dans plusieurs longueurs d'onde, et courbe de rotation obtenue, en bas à droite. Cette courbe représente la vitesse de rotation en fonction de la distance au centre. (voir astro-ph/0409622 pour les détails plus techniques)

Ce problème porte le nom de matière noire galactique. Une solution possible est en effet que les galaxies contiennent une composante non détectée, dont l'attraction gravitationnelle est responsable de l'écart observé. En fait, les calculs montrent que cette composante devrait être beaucoup plus importante que l'ensemble des composantes visibles, par un facteur 5 à 10. Ce facteur dépend des hypothèses que l'on fait sur la façon dont cette matière noire serait répartie dans la galaxie. Deux grandes hypothèses ont longtemps été en concurrence : celle du disque maximale, dans laquelle la matière noire est répartie dans un disque épais qui se superposerait au disque stellaire, et celle du halo sphérique, dans laquelle la matière noire est répartie dans un grand halo avec la symétrie sphérique. La deuxième hypothèse est maintenant favorisée, pour des raisons liées à la cosmologie que nous allons voir plus loin.

Notons que l'analyse de courbes de rotation ne permet pas de trancher cette question et de déduire de manière univoque la distribution de matière totale dans les galaxies. Ceci est essentiellement dû au fait que la courbe de rotation ne contient des informations que dans un plan (le plan de rotation), ce qui ne permet pas de remonter à la structure tridimensionnelle de la distribution de masse. La prise en compte d'observations d'objets situés hors du disque permet de lever partiellement cette ambiguïté, comme évoqué au bas de cette page.

Les mouvements stellaires perpendiculaires au disque de notre Galaxie

Dans le cas de notre Galaxie, la situation est un peu particulière. Nous sommes à l'intérieur, et notre position n'est pas très favorable pour mesurer sa courbe de rotation. Par contre, nous sommes très bien placés pour mesurer le mouvement des étoiles dans le voisinage du Soleil. Ceci est intéressant aussi, car les étoiles qui s'éloignent du disque de la galaxie sont attirées par la masse contenue dans ce disque et tendent à y revenir, puis à le traverser pour passer de l'autre côté. Il en résulte une oscillation de part et d'autre du disque. L'analyse du mouvement des étoiles dans la direction perpendiculaire au plan du disque galactique fournit donc des renseignements sur la distribution de masse dans ce disque. Les résultats de ce type d'analyses ont longtemps été controversés, mais il semble maintenant établi que le disque lui-même contient peu de matière noire. Celle-ci est plus vraisemblablement distribuée dans un halo étendu, ayant plus la forme d'une sphère que d'un disque.

Le futur : les mouvements tridimensionnels de toutes les étoiles de la galaxie ?

Le projet GAIA propose de mesurer avec une très grande précision la position et la vitesse d'un milliard d'étoiles dans notre Galaxie. Si ce projet (mission ESA, lancement en 2011) aboutit,  il permettrait de tester de façon beaucoup plus approfondie l'hypothèse de la matière noire, et le cas échéant de mesurer sa distribution spatiale.

Le satellite du projet GAIA

Les mouvements des satellites lointains de notre Galaxie

Enfin, l'étude du mouvement d'objets qui ne sont pas situés dans le disque de la Galaxie fournit des informations complémentaires aux précédentes. En particulier, le mouvement des amas globulaires (des assemblées de moins d'un million d'étoiles gravitationnellement liées entre elles, voir les images ci-dessous) et des galaxies naines dites sphéroïdales indique que le halo de matière noire s'étend jusqu'à une distance proche de 100 000 années-lumière, alors que le disque visible ne s'étend que sur moins de 30 000 années-lumière environ.


 

Amas globulaires.

Parmi ces ensembles d'étoiles qui orbitent autour de notre Galaxie, certains présentent une propriété très intéressante : les effets de marée qu'ils subissent leur font perdre des étoiles le long de leur trajectoire. Ainsi, la galaxie naine sphéroïde du Sagittaire laisse derrière elle une trainée d'étoiles qui permet de retracer sa trajectoire passée. On trouve que cette galaxie est passée près du centre de notre galaxie il y a quelques milliards d'années, dans une trajectoire en rosette. Cette trajectoire donne des informations précieuses sur le halo de matière noire de notre galaxie. D'une part elle confirme la présence de ce halo, et d'autre part permet de mieux connaître sa forme, en particulier son aplatissement.

Notons enfin que la trainée que laisse derrière elle la galaxie naine devrait aussi être assez riche en matière noire. Or, comme notre système solaire se trouve dans cette trainée, il est possible que nous nous trouvions dans un endroit très privilégié pour détecter directement de la matière noire, dans une sorte d'averse locale de matière noire...

   

La galaxie naine du Sagittaire (à gauche), et le courant de matière qui l'accompagne (au milieu, vue d'artiste). On voit aussi un courant pour la galaxie naine Canis Major (à droite, représentation d'une simulation numérique).


Ce type d'étude peut être étendu aux autres galaxies, en observant leurs amas globulaires et leurs galaxies naines, mais aussi en étudiant le mouvement des nuages d'hydrogène qui les entoure, comme sur les figures suivantes :

 

Nuages de gaz HI (en bleu à gauche et en rouge à droite) par le Compact Array. Ces nuages s'étendent bien au-delà des galaxies elles-mêmes. (crédits : B. Koribalski (ATNF), S. Gordon (UQld) et K. Jones (UQld) à gauche, B. Koribalski (ATNF) et J. Dickey (UMinn) à droite).

Les vitesses des étoiles dans les galaxies elliptiques

L'analyse des vitesses dans les galaxies elliptiques fait apparaître le même problème que dans les galaxies spirales : les vitesses sont trop élevées. Des études tout à fait similaires à celles que nous avons présentées dans les galaxies spirales sont menées pour étudier la forme des halos de matière noire. Par exemple, l'étude des mouvements d'objets dont les orbites s'étendent loin dans les halos est cruciale, il s'agit ici principalement d'amas globulaires et de nébuleuses planétaires.

Galaxie elliptique M87




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