Identifié en 2016, le cratère 2 se distingue des autres galaxies satellites par sa taille énorme et sa luminosité extrêmement faible, ce qui suggère une dynamique inhabituelle de la matière noire. Le modèle CDM dominant peine à rendre compte de telles caractéristiques. (Concept d'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Le cratère 2, une grande galaxie satellite peu lumineuse, présente des propriétés qui remettent en cause les théories traditionnelles de la matière noire froide. La théorie SIDM fournit une meilleure explication, suggérant des interactions de matière noire qui réduisent la densité et augmentent la taille des galaxies, ce qui correspond aux observations.
Le cratère 2, situé à environ 380 000 années-lumière de la Terre, est l'une des plus grandes galaxies satellites de l'Univers. voie Lactée. Extrêmement froide et composée d'étoiles se déplaçant lentement, la surface du cratère 2 est peu brillante. L'origine de cette galaxie reste obscure.
Les défis de la compréhension du cratère 2
« Depuis sa découverte en 2016, de nombreuses tentatives ont été faites pour reproduire les propriétés inhabituelles du cratère 2, mais cela s'est avéré très difficile », a déclaré Hai-Bo Yu, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Californie à Riverside, dont l'équipe propose désormais une explication de l'origine du cratère 2 dans un article publié dans The Lettres de revues astrophysiques.
Une galaxie satellite est une galaxie plus petite qui orbite autour d'une galaxie hôte plus grande. La matière noire représente 85 % de la matière de l'univers et peut former une structure sphérique sous l'influence de la gravité appelée halo de matière noire. Invisible, le halo imprègne et entoure une galaxie comme le cratère 2. Le fait que le cratère 2 soit extrêmement froid indique que son halo a une faible densité.
Notre galaxie, la Voie lactée, est entourée d'une cinquantaine de galaxies naines. La plupart de ces galaxies ne sont identifiables qu'à l'aide de télescopes et portent le nom de la constellation dans laquelle elles apparaissent dans le ciel (par exemple, le Dragon, le Sculpteur ou le Lion). Cependant, les deux galaxies naines les plus évidentes sont le Grand Nuage de Magellan (LMC) et le Petit Nuage de Magellan (SMC), et elles sont facilement visibles à l'œil nu. Crédit : ESA/Gaia/DPAC
Yu a expliqué que le cratère 2 a évolué dans le champ de marée de la Voie lactée et a connu des interactions de marée avec la galaxie hôte, de la même manière que les océans de la Terre subissent les forces de marée dues à la gravité de la Lune. En théorie, les interactions de marée peuvent réduire la densité du halo de matière noire.
Cependant, les dernières mesures de l'orbite du cratère 2 autour de la Voie Lactée suggèrent que la force des interactions de marée est trop faible pour abaisser la densité de matière noire de la galaxie satellite et être cohérente avec ses mesures – si la matière noire est constituée de particules froides et sans collision, comme l'attend la théorie dominante de la matière noire froide, ou CDM.
« Une autre énigme est de savoir comment le cratère 2 pourrait avoir une telle taille, car les interactions de marée réduiraient sa taille lorsque la galaxie satellite évolue dans le champ de marée de la Voie Lactée », a déclaré Yu.
Proposer une nouvelle théorie : SIDM
Yu et son équipe ont invoqué une théorie différente pour expliquer les propriétés et l'origine du cratère 2. Appelée matière noire auto-interagissante, ou SIDM, elle peut expliquer de manière convaincante les diverses distributions de matière noire. Elle suggère que les particules de matière noire interagissent entre elles par le biais d'une force noire, entrant en collision les unes avec les autres à proximité du centre d'une galaxie.
« Nos travaux montrent que la SIDM peut expliquer les propriétés inhabituelles du cratère 2 », a déclaré Yu. « Le mécanisme clé est que les auto-interactions de la matière noire thermalisent le halo du cratère 2 et produisent un noyau de faible densité, c'est-à-dire que la densité de matière noire est aplatie aux petits rayons. En revanche, dans un halo CDM, la densité augmenterait brusquement vers le centre de la galaxie. »
Selon Yu, dans le SIDM, une force relativement faible des interactions de marée, cohérente avec ce que l'on peut attendre des mesures de l'orbite du cratère 2, est suffisante pour réduire la densité de matière noire du cratère 2, conformément aux observations.
« Il est important de noter que la taille de la galaxie augmente également dans un halo SIDM, ce qui explique la grande taille du cratère 2 », a déclaré Yu. « Les particules de matière noire sont simplement plus lâchement liées dans un halo SIDM à noyau que dans un halo CDM « en forme de cuspide ». Nos travaux montrent que le SIDM est plus efficace que le CDM pour expliquer l'origine du cratère 2. »
Yu a été rejoint dans l'étude par Daneng Yang de l'UCR, ainsi que par Xingyu Zhang et Haipeng An de l'Université Tsinghua en Chine.
Les recherches de Yu ont été soutenues par la Fondation John Templeton et le ministère américain de l’Énergie.
