Observations étranges des galaxies remettent en question les idées sur la matière noire

Les observations perturbantes de galaxies lointaines remettent en question les idées dominantes des cosmologistes sur l’univers, ce qui pourrait impliquer que la substance étrange appelée matière noire n’existe pas.

C’est une des conclusions possibles d’une nouvelle étude publiée le 20 juin dans The Astrophysical Journal Letters. La découverte « soulève des questions d'une nature extraordinairement fondamentale », déclare Richard Brent Tully, un astronome de l'Université d'Hawaï à Manoa qui n'a pas participé à ces travaux.

Les astronomes soupçonnent l’existence de la matière noire en raison de la façon dont les étoiles et autres matériaux visibles à la périphérie d’une galaxie tournent. Les vitesses de rotation des objets éloignés du centre galactique sont bien plus élevées qu’elles ne devraient l’être compte tenu de la quantité de matière lumineuse observée dans les télescopes. Selon la compréhension actuelle de la gravité par les physiciens, cela implique qu'un réservoir massif de matière invisible doit attirer ces étoiles.

Les nouveaux résultats reposent sur le fait que les objets massifs déforment le tissu de l'espace-temps. Les galaxies sont constituées d'énormes quantités d'étoiles visibles, de gaz et de poussière, ainsi que — selon la théorie — d'un immense halo de matière noire invisible. Cela signifie que la lumière sera courbée et déformée lorsqu'elle passe à côté d'une galaxie, un effet connu sous le nom de lentille gravitationnelle.

Partant de ce constat, l'astronome Tobias Mistele de l'Université Case Western Reserve à Cleveland et ses collègues ont décidé de rechercher des signes de lentilles gravitationnelles autour de multiples galaxies afin de sonder leur contenu. L’équipe a examiné un catalogue d’environ 130 000 galaxies imagées par le VLT Survey Telescope à l’Observatoire de Paranal de l’Observatoire européen austral au Chili, à la recherche de traces révélatrices indiquant la présence de galaxies plus lointaines dont la lumière avait été courbée et déformée par les objets intermédiaires.

La quantité de lentilles fournit un indicateur des masses des galaxies au premier plan, incluant à la fois leur matière lumineuse et, vraisemblablement, la quantité beaucoup plus grande de matière noire entourant chaque galaxie. L’équipe a ensuite calculé la masse à diverses distances du centre de chaque galaxie et utilisé cela pour déduire la vitesse à laquelle une étoile orbiterait à ces distances.

Selon le modèle dominant de la cosmologie, appelé Lambda CDM, la matière noire se regroupe en d’énormes masses dans le cosmos, et l'attraction gravitationnelle de ces masses attire la matière visible, qui forme ensuite une galaxie. Des observations antérieures ont établi que ces amas en forme de halo s'étendent jusqu'à au moins 300 000 années-lumière du centre d'une galaxie. Au-delà de cette limite, les vitesses de rotation des étoiles devraient commencer à ralentir.

Pourtant, en utilisant leurs données de lentilles gravitationnelles, Mistele et ses collègues ont calculé qu'une étoile placée à un million d'années-lumière du centre de chaque galaxie, et potentiellement jusqu'à 3 milliards d'années-lumière, tournerait encore beaucoup trop vite compte tenu de la quantité de matière visible et de matière noire supposée présente dans la galaxie.

Cela signifie-t-il qu'il y a encore plus de matière invisible que ce que l'on pensait auparavant ? Peut-être pas.

Une théorie rivale de Lambda CDM, connue sous le nom de dynamique newtonienne modifiée, ou MOND, élimine complètement le concept de matière noire et suggère plutôt que la gravité se comporte différemment à l’échelle des galaxies. Longtemps défendue par le coauteur de Mistele, Stacy McGaugh, également de Case Western, MOND prédit spécifiquement les types d'observations trouvées dans l'étude.

Mais le modèle Lambda CDM n’est pas encore hors de combat.

« Je pense qu’il est très exagéré de dire qu’on peut se passer de la matière noire, car les preuves en sa faveur sont tellement nombreuses », déclare Bhuvnesh Jain, un cosmologiste de l'Université de Pennsylvanie.

Par exemple, la croissance des structures à grande échelle de l'univers depuis le Big Bang est bien mieux expliquée par le modèle Lambda CDM que par MOND. Jain suggère qu’il pourrait y avoir des idées encore plus exotiques dans les modèles mathématiques de la gravité, inspirées par les réflexions à plus haute dimension trouvées dans la théorie des cordes, qui pourraient rendre compte de la structure actuelle de l’univers à grande échelle. Certaines variations de telles idées pourraient être capables d'expliquer les données de Mistele et de ses collègues tout en révisant également le rôle de la matière noire.

Les observations du satellite Euclid de l'Agence spatiale européenne, lancé l'année dernière, fourniront bientôt aux chercheurs des données de lentilles gravitationnelles bien meilleures, ce qui pourrait aider à démêler ce mystère étrange.