Qu'est-ce qu'une galaxie ? C'est une question étonnamment difficile à répondre

Déterminer ce qui compte vraiment en tant que galaxie pourrait nous donner un aperçu de la matière noire et potentiellement bouleverser l'astrophysique, la cosmologie et la physique des particules, déclare le chroniqueur. Chanda Prescod-Weinstein

Quand une collection d’étoiles n’est-elle qu’une collection d’étoiles et quand est-ce une galaxie ? Cela ressemble à une blague ringard ou à une énigme quelconque, mais il s’agit plutôt d’une véritable question scientifique sur laquelle la communauté astronomique se débat.

Ceux d’entre nous qui ne sont pas des astronomes professionnels sont tellement habitués à considérer les galaxies comme des objets complets et faciles à identifier, presque comme des œuvres d’art finies. Lorsque j’utilise des télescopes dans mon jardin pour observer les galaxies, je vois des spirales émettant la lumière vive de milliards d’étoiles – dans certains cas, 100 milliards ou plus. Grâce à mes propres recherches en tant que cosmologiste théorique des particules, je sais que ces galaxies sont imprégnées et entourées d'un halo invisible de matière noire qui s'étend bien au-delà de leurs régions visibles. Grâce à ma formation universitaire, je sais aussi que toutes les galaxies n’ont pas une forme en spirale. Certains d’entre eux sont des elliptiques, en forme de sphères écrasées par le haut. De ce point de vue, la question de savoir ce qu’est une galaxie semble très simple.

Mais, comme je l’ai écrit il y a quelques articles, la manière dont nous organisons notre compréhension des galaxies est toujours un travail en cours. Par exemple, s’il est facile de catégoriser quelque chose qui a une structure en spirale claire et des milliards d’étoiles, qu’en est-il de quelque chose qui semble sphéroïdal et qui contient des millions d’étoiles ? Est-ce une galaxie ? En fait, ce que je viens de décrire est la définition de base d’un amas globulaire. Il s’agit de collections – en désordre, si vous préférez – de dizaines de milliers, voire de millions d’étoiles liées gravitationnellement dans une formation de seulement quelques années-lumière de diamètre. Surtout, ils vivent à l’intérieur des galaxies.

Le fait que les amas globulaires ne se trouvent qu’à l’intérieur des galaxies semble suggérer qu’ils constituent évidemment un phénomène cosmique distinct des galaxies elles-mêmes. De plus, les amas globulaires sont compacts et les galaxies sont diffuses, plus dispersées dans l’espace. Cela est vrai même dans le cas des galaxies sphéroïdales naines liées gravitationnellement à la Voie lactée. Ils sont plus petits que notre galaxie, mais néanmoins, relativement parlant, grands et étendus. Ils ont également tendance à avoir une gamme d’étoiles plus diversifiée, tandis que les amas globulaires sont composés de populations plus homogènes. Nous savons également maintenant que les sphéroïdes nains sont contenus dans leurs propres halos de matière noire, contrairement aux amas globulaires.

Imaginez une poupée gigogne de galaxies entourée de matière noire. Il y a la Voie Lactée, avec un grand halo, puis des sphéroïdes nains plus petits dans leurs propres petits sous-halos à l'intérieur. C’est le tableau général à l’œuvre ici. En fait, pour certains astronomes, c’est ce qui sépare réellement les deux catégories : être une galaxie, c’est être rempli de matière noire.

Jusqu’en 2005 environ, cette frontière semblait bien fonctionner, mais le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) a ensuite publié son premier ensemble de données. Le SDSS, chargé de scanner plus d’un quart du ciel nocturne, cataloguait une pléthore d’objets inédits. Dans ces données, les astronomes ont découvert des observations de collections d’étoiles très faibles et difficiles à voir près de la Voie lactée. Ces satellites ultra-faibles de la Voie lactée ont remis en question l’idée selon laquelle il est facile de distinguer les amas globulaires des galaxies.

Dans certains cas, des observations ultérieures ont clairement montré que l’objet cosmique en question était bien une galaxie remplie de matière noire. Ce travail se poursuit et n'est pas toujours simple. Leur faiblesse inhérente fait de ces satellites un défi d’observation. On dit que ces objets déroutants vivent dans un « creux d’incertitude », comme l’appelaient Blair Conn, alors à l’Université nationale australienne de Canberra, et ses collègues dans un article de 2018. Ce ne sont évidemment pas des galaxies, mais ce ne sont évidemment pas des galaxies.

Même si nous nous attendions à ce que davantage de données réduisent le creux de l’incertitude, celle-ci s’est, à certains égards, creusée. De récentes études du ciel ont encore brouillé les cartes en révélant une population d'objets encore plus faibles, et nous savons désormais mieux que présumer qu'il ne s'agit pas de galaxies. Et nous ne sommes pas tous d'accord sur ce qui est quoi : par exemple, un article publié en 2023 par une équipe dirigée par Simon Smith de l'Université de Victoria au Canada a déclaré la découverte d'Ursa Major III, que les chercheurs ont appelé « le satellite connu le moins lumineux de la Voie lactée ». Aussi confiante que puisse être cette déclaration, les auteurs font face à une sorte de bataille pour faire valoir leurs arguments, car les observations ne comptent que 60 étoiles dans la galaxie ! Ce n’est pas une faute de frappe – 60, pas 60 000, 60 millions ou 60 milliards. Juste 60.

Aussi petite que soit la Grande Ourse III, elle pourrait avoir un impact important. L’année dernière, une équipe de recherche a affirmé que s’il s’agissait bien d’une galaxie, elle pourrait alors être utilisée pour exclure une classe de modèles de matière noire. Déterminer si Ursa Major III et d’autres satellites compacts et ultra-faibles de la Voie lactée comme lui sont réellement des galaxies pourrait donc bouleverser l’astrophysique, la cosmologie et la physique des particules.

Des progrès sont réalisés sur cette question. Le mois dernier, William Cerny de l'Université de Yale et ses collègues ont publié un rapport contenant la première enquête approfondie sur un grand groupe de ces objets. Leur conclusion ? Il s’agit d’un mélange de types, mais davantage d’observations sont nécessaires. Je n’ai rien de certain à vous dire sur ce que nous savons, qui est un endroit passionnant où atterrir. Notre position actuelle est à mi-chemin de l'enthousiasme pour la recherche, la partie où nous nous tenons à la limite de ce que nous savons et le dépassons.

Que lis-tu ?

Poètes, en particulier la collection de Cortney Lamar Charleston C'est important que je me souvienne et le manifeste de Camonghne Félix Laissons les poètes gouverner.

Qu'est-ce que tu regardes ?

Trop d'Alfred Hitchcock !

Sur quoi travaillez-vous ?

Je me prépare pour le lancement américain de mon livre Aux confins de l'espace-temps le 7 avril !

Chanda Prescod-Weinstein est professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université du New Hampshire. Elle est l'auteur de Le cosmos désordonné et le prochain livre Aux confins de l'espace-temps : particules, poésie et boogie du rêve cosmique