Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Institut Leibniz d'astrophysique de Potsdam (AIP) a mis en lumière un débat qui dure depuis des décennies sur la raison pour laquelle les galaxies tournent plus vite que prévu et si ce comportement est causé par une matière noire invisible ou par un effondrement de la gravité à l'échelle cosmique.
Menée par l'AIP en collaboration avec l'Université de Surrey, l'Université de Bath, l'Université de Nanjing en Chine, l'Université de Porto au Portugal, l'Université de Leiden aux Pays-Bas et l'Université de Lund en Suède, l'étude a analysé les données de vitesse stellaire de 12 des galaxies les plus petites et les plus faibles de l'univers pour mettre à l'épreuve les théories rivales.
Parmi eux se trouve la dynamique newtonienne modifiée (MOND), une théorie alternative proposée pour la première fois dans les années 1980, qui suggère que les lois de la gravité changent à de très faibles accélérations et, par conséquent, à de très grandes échelles de distance, supprimant complètement le besoin de matière noire.
Les auteurs ont découvert que les champs gravitationnels internes des galaxies ne peuvent pas être expliqués uniquement par la matière visible et que les prédictions de MOND ne parviennent pas à reproduire le comportement observé. Ils ont ensuite comparé leurs résultats avec des modèles théoriques qui supposent plutôt que ces galaxies sont entourées d’un immense halo de matière noire. Exécutés sur le superordinateur national DiRAC du Royaume-Uni, ces modèles de matière noire ont donné une bien meilleure correspondance aux données.
Mariana Júlio, titulaire d'un doctorat. étudiant à l'Institut Leibniz d'Astrophysique de Potsdam (AIP) et auteur principal de l'étude, a déclaré : « Les plus petites galaxies naines sont depuis longtemps en tension avec les prédictions de MOND, mais l'écart pourrait vraisemblablement s'expliquer par des incertitudes de mesure ou par l'adaptation de la théorie de MOND.
« Pour la première fois, nous avons pu résoudre l'accélération gravitationnelle des étoiles dans les galaxies les plus faibles à différents rayons, révélant en détail leur dynamique interne. Les observations et nos simulations EDGE montrent que leur champ gravitationnel ne peut pas être déterminé par leur seule matière visible, contredisant les prédictions de gravité modifiées. Cette découverte renforce le besoin de matière noire et nous rapproche de la compréhension de sa nature. «
La recherche, acceptée pour publication dans Astronomie et astrophysique et actuellement disponible sur le arXiv serveur de préimpression, remet également en question une hypothèse de longue date sur le comportement des galaxies. Les astronomes croient depuis longtemps qu'il existe un lien simple entre la quantité de matière visible dans une galaxie et la force de l'attraction gravitationnelle qu'elle produit, connue sous le nom de « relation d'accélération radiale ». Bien que cette relation soit toujours valable pour les systèmes plus grands, la nouvelle étude montre qu'elle commence à se détériorer dans les plus petites galaxies.
« Notre nouvelle étude change complètement la donne, en utilisant de meilleures données et une analyse plus approfondie pour déduire les profils réels résolus radialement des galaxies naines », a ajouté le Dr Marcel Pawlowski, co-auteur de l'étude. « Nos résultats confirment les soupçons antérieurs selon lesquels les galaxies naines ne correspondent pas aux attentes dérivées des galaxies plus massives. Elles ne s'alignent pas sur la relation d'accélération radiale extrapolée mais montrent des accélérations plus importantes ou, dans le cas de la matière noire, davantage de masse manquante. «
Dans certains cas, la même quantité de matière visible peut produire différentes accélérations gravitationnelles, ce qui suggère qu’un autre facteur invisible – très probablement la matière noire – influence leur comportement.
Le professeur Justin Read de l'Université de Surrey, co-auteur de l'étude, a déclaré : « De nouvelles données et techniques de modélisation nous permettent de cartographier le champ gravitationnel à des échelles plus petites que jamais, ce qui nous donne de nouvelles informations sur la substance étrange, apparemment invisible, qui constitue la majeure partie de la masse de l'univers.
« Nos résultats démontrent qu'il n'y a pas assez d'informations basées uniquement sur ce que nous pouvons voir pour déterminer l'intensité du champ gravitationnel dans les plus petites galaxies. Ce résultat peut s'expliquer si ces galaxies sont entourées d'un halo invisible de matière noire, car la matière noire code les « informations manquantes ». Mais les théories MOND – du moins celles proposées jusqu'à présent – exigent que le champ gravitationnel soit déterminé uniquement par ce que nous voyons. Cela ne semble tout simplement pas fonctionner. «
Bien que les résultats ne révèlent pas de quoi est constituée la matière noire, ils réduisent l’espace pour des explications alternatives. Les futures observations de galaxies encore plus faibles et plus lointaines aideront à mieux comprendre ce qu'est réellement la matière noire.
