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La matière noire dans les galaxies spirales

La rotation

Archétypes de galaxies spirales, l'une vue de face (image de gauche), l'autre de profil (à droite). La plupart des galaxies n'ont pas cette forme "parfaite".

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. La vitesse de rotation n'est pas la même dans toute la galaxie : elle est assez faible au centre, elle augmente vers l'extérieur, puis elle se stabilise vers une valeur à peu près constante (environ 220 km/s pour notre Galaxie). La courbe qui donne la vitesse en fonction de l'éloignement au centre de la galaxie s'appelle "courbe de rotation".

On peut mesurer cette courbe en utilisant plusieurs types de mesures :

Exemples de courbes de rotation observées en Hα, tirées de [3]. Les symboles blancs représentent les mesures non corrigées par un effet pris en compte dans le papier et n'ont pas d'intérêt ici.

La mesure des courbes de rotation permet donc, si on accepte les lois de la gravitation usuelles, d'obtenir des informations sur la distribution de masse des galaxies. En fait, on pourrait déterminer complètement la distribution de masse si on avait accès vitesses à tout endroit de la galaxie, mais ceci est impossible pour une raison incontournable : on ne peut mesurer la vitesse que là où il y a quelque chose ! Dans les galaxies spirales, les mesures de vitesse sont confinées au disque, et l'information qu'on peut en tirer sur la matière noire n'est que partielle. En particulier, il n'est pas possible de déterminer sans équivoque, en se basant seulement sur les courbes de rotation, si la matière noire est distribuée dans un halo à peu près sphérique englobant la galaxie ou si elle suit la matière dans un disque épais.

Une chose est sûre cependant : il est très difficile de comprendre le plateau des courbes de rotation sans matière noire. La composante visible cesse d'être présente aux grands rayons et si elle était la seule cause de gravitation, l'influence gravitationnelle devrait se faire moins importante à la périphérie des galaxies et on devrait voir les courbes de rotation retomber, ce qui n'est pas observé. Une alternative est d'abandonner les lois de la gravitation que l'on croit connaitre, c'est l'approche des partisans de la théorie MOND. Cette approche est jugée trop radicale par la majorité des chercheurs, pour plusieurs raisons que nous exposerons dans la page dédiée à cette théorie.

Signalons aussi que dans les zones centrales des galaxies, les courbes de rotation permettent en principe de déterminer la forme du potentiel gravitationnel, et des auteurs ont essayé d'utiliser ces courbes de rotation pour trancher entre les partisans d'une distribution à cœur (avec une densité constante au voisinage du centre) et ceux d'une distribution à pic (la densité présentant un profil singulier au centre, devenant de plus en plus élevée au fur et à mesure qu'on s'en approche), cette dernière hypothèse étant étayée par un certain nombre de simulations numériques.

Il existe une littérature abondante sur le sujet. Un travail de compilation et de synthèse a été effectué par [4]. La revue [5] de Sofue et Rubin (une spécialiste du domaine depuis le début...) constitue un bon point de départ.

La stabilité des disques

Le disque galactique est une structure dont la stabilité n'est pas optimale, étant assez sensible à certaines perturbations. Par exemple, s'il commence à se déformer un peu, sous l'action gravitationnelle d'un voisin, ou par l'effet d'une asymétrie propre, cette déformation peut s'amplifier et conduire à une déformation du disque, voire à la formation d'une barre centrale.

Un grand nombre de galaxies possèdent une barre centrale (image de gauche), et certaines ont un disque tordu (image de gauche)

On peut en tirer deux conclusions complémentaires. Tout d'abord, la présence d'un halo de matière noire a tendance à stabiliser les disques galactiques. C'est d'ailleurs un argument qui a été proposé assez tôt pour suggérer la présence de ces halos [1]. Ensuite, le fait même qu'on observe des disques déformés semble indiquer que la matière noire n'a pas un effet stabilisateur total. Ceci a conduit certains auteurs à mettre des limites sur la masse des halos dans les galaxies au disque déformé. De facon assez ironique, cet argument a récemment été retourné, car il semble que les instabilités des disques autogravitants aient finalement tendance à s'auto-réguler, et que les torsions de disques qu'on observe ne puissent se développer qu'en présence d'un halo qui limiterait cette auto-régulation, et donc déstabiliserait le disque... Par exemple, [2] indique qu'il devrait y avoir autant de masse dans le halo de certaines galaxies que dans leur disque.


Bibliographie

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