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La matière noire

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Les satellites du Groupe Local

Le Groupe Local

Notre Galaxie appartient à un petit amas, un groupe que l'on appelle naturellement le Groupe Local. Les deux plus gros membres sont la Voie Lactée (notre Galaxie) et la Galaxie d'Andromède.

Notre Galaxie, vue de la tranche puisque nous sommes dans le disque, dans plusieurs longueurs d'ondes.

M31, aussi appelée Andromède, sous deux expositions différentes. Les deux objets brillants périphériques sont les galaxies satellites M32 et M33 (voir plus bas).

Les satellites

Les autres membres du groupe local sont souvent qualifiés de satellites. Ce sont des galaxies naines ou des petites galaxies, comme les nuages de Magellan ou les galaxies M32 et M33, les sphéroïdes naines Draco, Sagittaire, etc...

Le grand Nuage de Magellan à gauche et M33, un satellite de M31, à droite. On peut voir M33 sur l'image précédente de M31.

Le problème du nombre de satellites

Ces dernières années ont vu se dérouler une controverse sur le nombre de satellites que contient notre Galaxie. Le nombre de satellites observés n'est surement pas définitif mais là n'est pas le problème. D'après les théories en vigueur sur la formation des structures en cosmologie, les petites structures de matière noire se forment en premier, par effondrement gravitationnel, puis se rassemblent pour former des structures plus grandes. Lors de cette deuxième phase, la plupart des petites structures se détruisent, sont disloquées, mais quelques-unes survivent. Les grandes structures contiennent dont quelques grumeaux de matière noire. Quand la matière baryonique s'effondre dans les puits de matière noire, il se forme des galaxies dans les structures les plus grosses, et des satellites dans les structures les plus petites. Ce tableau, proposé dès 1978 dans [4], est assez satisfaisant, puisqu'il semble expliquer très bien la présence de satellites autour des galaxies. Il avait déjà été remarqué par [5] que ce scénario conduisait à un nombre de satellites trop élevé dans le Groupe Local. A la fin des années 1990, les ressources informatiques sont devenues assez puissantes pour pouvoir tester ce scénario par des simulations assez fines, qui partent d'une distribution de matière noire très légèrement inhomogène, et la font évoluer selon les lois de la physique pour suivre l'effondrement gravitationnel des zones sur-denses. Certaines de ces simulations ont alors montré [1] [2] qu'en effet des concentrations de masse très semblables au Groupe Local se formaient naturellement, avec quelques concentrations principales semblables à des halos de galaxies. Elles montraient aussi que des sous-structures survivaient à l'agglomération en structure plus grande. A l'échelle des grands amas de galaxie, la quantité de sous-structure correspondait très bien à la quantité de satellites observés, ce qui était rassurant. Par contre, à l'échelle du groupe local, la quantité de sous-structure était beaucoup plus grande que le nombre de satellites observés.

Ceci n'est pas forcément un problème en soi, cela signifie peut-être simplement qu'en effet, le groupe local contiendrait un grand nombre de satellites "noirs", dans lesquels la matière n'aurait pas formé de structure visible, par exemple parce que l'activité stellaire des galaxies déjà formées à proximité a chauffé le gaz et empêché l'effondrement qui aurait conduit à la formation d'étoiles dans cette structure. De tels objets, massifs mais sans étoiles, ont d'ailleurs déjà détectés, voir ici.

Grâce au radio-télescope Lovell, de 76 m de diamètre (à gauche), un objet sombre ayant la même signature radio qu'une galaxie a pu être découverte [3]

La controverse venait plutôt du fait qu'il était un peu difficile de croire à l'existence de ces satellites noirs sur la base de simulations numériques. La plupart des simulations voyaient les satellites noirs disparaître, se dissoudre dans les structures plus grandes, alors que d'autres les voyaient survivre. Il est apparu qu'une des raisons de ces désaccords était purement numérique. Le traitement numérique peut induire des effets qui se mêlent aux effets physiques. Plus précisément, la résolution des simulations est un facteur-clé, et si celle-ci est insuffisante, les petites structures ne sont pas assez bien décrites, et disparaissent dans les simulations. Depuis lors, la situation a bien évolué, on peut maintenant pousser les limites numériques plus loin et en effet, il semble que les petites structures soient très coriaces. En fait, elles semblent si coriaces que des simulations modernes indiquent la survie de sous-structures à des échelles beaucoup plus petites que celle des satellites. Pour une approche plus analytique de ces questions on peut lire l'introduction de [3].

La controverse porte aussi sur un autre point très important : si les halos de galaxies contiennent trop de petites structures, celles-ci peuvent détruire le disque galactique en le traversant trop fréquemment. Le disque est en quelque sorte bombardé par des petites structures, ce qui pourrait le disloquer. Le simple fait que le disque de notre galaxie ait pu se former impose des limites à la quantité de grumeaux du halo de matière noire.

Conséquences sur la recherche de matière noire

La question du nombre de satellite est importante, mais pas seulement par ce qu'elle peut nous apprendre sur la formation des structures. De façon plus pragmatique, elle concerne aussi la façon dont la matière noire est distribuée dans l'Univers. Si elle forme des grumeaux, les signaux d'annihilation qu'on peut espérer détecter peuvent être beaucoup plus importants. En particulier, si les satellites de notre galaxie se sont formés à partir de grumeaux de matière noire, que reste-t-il de ces grumeaux aujourd'hui ? Ces satellites sont-ils dominés par la matière noire ou non ? Cette question n'a pas encore de réponse claire.

On peut aussi imaginer recevoir des signaux indirects de certaines régions du ciel, les satellites noirs, dans lesquelles par ailleurs on ne voit pas de structure. Remarquons qu'à une échelle plus grande, des amas de galaxies sans contrepartie visible ont déja été détectés, notamment par effet Sunyaev-Zeldovitch.

Notons pour finir que ces problèmes sont assez spécifique à la matière noire froide interagissant faiblement. Pour de la matière noire "tiède", ou de la matière noire froide qui interagit assez fortement avec elle-même, la formation des structure est inhibée sur des petites échelle. Pour de la matière noire "chaude", l'inhibition est si marquée que du coup on a du mal à comprendre que des structures ressemblant à des galaxies puissent se former.

Bibliographie

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