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La matière noire

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Le "profil" de matière noire dans les galaxies

Introduction

La matière noire ne forme pas une distribution homogène dans les galaxies. La densité est plus importante dans les zones centrales que dans les régions périphériques. On parlera ici de "profil" pour désigner la façon dont la densité de matière noire décroît du centre vers l'extérieur (ou la façon dont elle croît de l'extérieur au centre, c'est totalement équivalent).

Le profil loin du centre

Le fait que les courbes de rotation soient plates aux grands rayons permet de déterminer la variation de densité dans un halo à symétrie sphérique : loin du centre le profil doit obéir à une loi de puissance, la densité décroissant vers l'extérieur comme r, avec α égal à 2. On parle de profil isotherme car c'est le profil qu'adopte à l'équilibre un système autogravitant à une température donnée. On peut calculer la masse noire contenue à l'intérieur d'une sphère de rayon R, et on trouve que cette masse croît linéairement avec R. Ceci indique que cette loi de puissance ne peut pas être valable pour des rayons arbitrairement grands, et pour connaître la masse totale, il faut donc savoir à quel rayon s'arrête le halo. Ceci est difficile à déterminer en pratique, car loin du centre on ne dispose plus de traceur visible susceptible de nous donner des informations sur la matière noire. Par contre on peut utiliser les mouvements relatifs de galaxies suffisamment proches pour que les halos de matière noire s'interpénètrent, ou les informations que l'on peut glaner en utilisant le phénomène de lentille gravitationnelle [6] [7]. Il en résulte des incertitudes expérimentales pas vraiment négligeables sur la masse totale des halos de matière noire. Quant au profil, la dépendance en r-2 est assez bien établie, loin du centre des halos.

La polémique sur le profil "près" du centre

Hé oui, encore une polémique. Cette fois, la question est de savoir à quel point la densité de matière noire augmente vers le centre des galaxies (et des amas de galaxies, d'ailleurs, mais restons concentrés). Elle augmente, il y a peu de doute là-dessus, mais augmente-t-elle abruptment ou plutôt doucement ?

La question est assez difficile à trancher du point de vue des observations : les effets de la matière noire sont plus difficiles à mettre en évidence au centre des galaxies, car en général elle y joue un rôle assez faible sur le mouvement des corps, la gravitation étant essentiellement dominée par la matière visible. S'il est déjà difficile de la mettre en évidence, ça l'est encore plus d'évaluer son profil. Le problème est encore compliqué par le fait que la détermination des courbes de rotation elle-même est délicate dès qu'on veut résoudre des détails fins. Ces courbes varient rapidement près du centre et ces variations peuvent être en partie gommées par une résolution angulaire insuffisante. Ce n'est pas totalement impossible, cependant. Il se trouve que les galaxies dont la luminosité de surface est la plus faible semblent dominées par la matière noire partout, même au centre. Pour ces galaxies, l'étude fine de la courbe de rotation dans les parties centrales permet, en principe, d'y sonder le profil de densité. Il semblerait que formant un cœur de densité à peu près constante au centre [4] [5] [9].

Or, si l'on en croit le scénario de matière noire froide pour la formation des structures, le profil au centre doit être assez piqué (on parle de cusp en anglais). Deux groupes "concurrents" qui s'intéressaient à ces profils l'ont vérifié à peu près en même temps, même si leurs résultats étaient quantitativement différents. Le groupe de Navarro, Frenk et White, souvent abrégé en NFW, obtenait un profil qui n'obéissait à une loi de puissance, comme c'est le cas loin du centre, mais pouvait, quand même s'en approcher avec une pente plus prononcée, α étant de l'ordre de 1. Le groupe de Ben Moore obtenait lui aussi une loi de puissance, mais beaucoup plus piquée, avec α de l'ordre de 1.5. Le point le plus important discuté par ces groupes pour comprendre cette différence est la résolution numérique. Ces simulations remplacent une distribution continue de matière noire par un ensemble de masses discrètes, et aux petites échelles spatiales cela risque de changer la physique en jeu. En fait, la résolution initiale de ces simulations était de l'ordre du kpc, ce qui est assez limite pour décrire précisément le centre d'une galaxie. Bien sûr, ces groupes dépensent une énergie et une ingéniosité importante pour essayer de contourner ce problème, mais ce dernier est tenace. Pendant la décennie qui a suivi ces problèmes numériques ont été étudiés en profondeur, les ressources informatiques ont aussi beaucoup évolué. Ben Moore, par exemple, a développé une architecture informatique spécifique pour faire tourner ses simulations.

Aujourd'hui, la situation est un peu plus claire au niveau des simulations et les différentes équipes (celles que nous venons de citer et d'autres qui se sont mises sur le problème par la suite) semblent d'accord. Le profil de matière noire au centre des galaxies suivrait un profil qui, si on le décrit localement par une loi de puissance, évolue avec une pente α=1.2 environ. Par contre, un désaccord subsiste avec certaines observations qui tendraient à montrer l'existence d'un cœur et non d'un pic... Quelques pistes sont envisagées pour résoudre ce désaccord [8] [10]. .

La rotation des barres galactiques

Un grand nombre de galaxies spirales contiennent une barre centrale en rotation. Il a été proposé à plusieurs reprises que cette barre devrait être freinée par frottement avec la matière noire, et que donc on devrait voir peu de barres en rotation rapide [12]. Or ce n'est pas le cas, un grand nombre de barres sont observées en rotation rapide, et plusieurs études en ont déduit des limites sur la densité centrale dans les galaxies. Les simulations de haute résolution semblent avoir montré que ce phénomène est négligeable pour les masses en jeu en pratique [1] [11].

L'influence du trou noir central

Enfin, mentionnons une autre polémique passée, portant sur l'effet que le trou noir supermassif présent au centre de notre galaxie pourrait avoir sur le profil de matière noire. Le trou noir accrèterait la matière noire et rendrait le profil beaucoup plus abrupt au centre. Le lecteur désireux de suivre la polémique peut consulter [13] [14] [15] [16] et [17]. Il semble que la question soit résolur par l'analyse [15], et que l'effet soit finalement assez faible.

Conclusion

L'existence des pics de densité centraux pose un problème au scénario de matière noire froide, mais il n'est pas évident encore de dire à quel point ce problème est sérieux. Des scénarios faisant intervenir un autre type de matière noire pourraient fournir une solution. Il a aussi été proposé que lême en présence d'un pic, la forme non sphérique des halos pouvait conduire à des grandeurs physiques compatibles avec celles qu'on observe.

Bibliographie

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