En 2016, des astronomes dirigés par Pieter van Dokkum de l’Université de Yale ont publié un article explosif revendiquant la découverte d’une galaxie si faible, mais si large et lourde, qu’elle doit être presque entièrement invisible. Ils ont estimé que la galaxie, baptisée Dragonfly 44, est composée à 99,99 % de matière noire.
Un débat houleux s’est ensuivi sur les propriétés de Dragonfly 44 qui reste non résolu. Pendant ce temps, plus de 1 000 galaxies de taille similaire mais faibles sont apparues.
Dragonfly 44 et ses semblables sont connus sous le nom de galaxies ultra-diffuses (UDG). Bien qu’elles puissent être aussi grandes que les plus grandes galaxies ordinaires, les UDG sont exceptionnellement sombres – si sombres que, dans les relevés au télescope du ciel, « c’est une tâche de filtrer le bruit sans filtrer accidentellement ces galaxies », a déclaré Paul Bennet, un astronome au Space Telescope Science Institute de Baltimore. Le gaz brillant de formation d’étoiles qui est abondant dans d’autres galaxies semble avoir disparu dans les UDG, ne laissant qu’un squelette d’étoiles âgées.
Leur existence a fait sensation dans la théorie de l’évolution galactique, qui n’a pas réussi à les prédire. « Ils ne sont pas apparus dans les simulations », a déclaré van Dokkum. « Vous devez faire quelque chose de spécial pour créer une galaxie aussi grande et faible. »
De nouvelles théories folles ont émergé pour expliquer comment Dragonfly 44 et d’autres UDG ont vu le jour. Et ces taches de lumière géantes pourraient fournir de nouvelles preuves de la main invisible de la matière noire.
Trop de matière noire
Alors que la gravité rassemble des amas de gaz et d’étoiles, leurs énergies et leurs impulsions combinées provoquent le gonflement et la rotation du mashup. Finalement, une galaxie émerge.
Il n’y a qu’un seul problème. Lorsque les galaxies tournent, elles devraient se séparer. Ils ne semblent pas avoir assez de masse – et donc de gravité – pour rester ensemble. Le concept de matière noire a été inventé pour fournir la gravité manquante. Sur cette image, une galaxie se trouve à l’intérieur d’un plus grand conglomérat de particules non lumineuses. Ce « halo » de matière noire maintient la galaxie en rotation.
Une façon d’estimer la vitesse de rotation d’une galaxie, et donc sa teneur en matière noire, consiste à compter ses amas sphériques d’étoiles. « Nous ne savons pas pourquoi, d’un point de vue théorique », a déclaré Bennett, mais le nombre de ces « amas globulaires » est étroitement corrélé à ces propriétés plus difficiles à mesurer. Dans l’article de 2016, van Dokkum comptait 94 amas globulaires à l’intérieur de Dragonfly 44 – un nombre qui impliquait un halo de matière noire extraordinairement grand, malgré le peu de matière visible de la galaxie.
Personne n’avait jamais rien vu de tel. Van Dokkum et ses co-auteurs ont suggéré que Dragonfly 44 pourrait être une « Voie lactée ratée »: une galaxie avec un halo de matière noire de la taille de la Voie lactée qui a subi un événement mystérieux au début qui l’a privé de son gaz de formation d’étoiles, le laissant avec rien que des étoiles vieillissantes et un halo géant.
Ou pas de matière noire
L’objet a suscité l’intérêt d’un autre camp d’astronomes qui soutiennent que la matière noire n’existe pas du tout. Ces chercheurs expliquent la gravité manquante des galaxies en modifiant plutôt la loi de gravité de Newton, une approche appelée dynamique newtonienne modifiée, ou MOND.
Selon MOND, la force gravitationnelle modifiée pour chaque galaxie est calculée à partir du rapport masse-lumière de ses étoiles – leur masse totale divisée par leur luminosité. Les théoriciens de MOND ne spéculent pas sur la raison pour laquelle la force dépendrait de ce rapport, mais leur formule ad hoc correspond aux vitesses observées de la plupart des galaxies, sans qu’il soit nécessaire d’invoquer la matière noire.
Lorsque la nouvelle de Dragonfly 44 a éclaté, l’avocate du MOND Stacy McGaugh, astronome à la Case Western Reserve University, a calculé à partir de son rapport masse-lumière qu’elle devrait tourner plus lentement que l’estimation initiale de van Dokkum ne l’indiquait. Le calcul MOND ne semblait pas correspondre aux données.
Introduction
Mais en 2019, le groupe de van Dokkum a réduit la vitesse de rotation du Dragonfly 44 à l’aide de données améliorées. MOND a été justifié. « Dragonfly 44 est un exemple de la façon dont ces données évoluent pour s’accorder avec MOND », a déclaré McGaugh.
Pourtant, pour la majorité des astronomes, qui croient en la matière noire, la vitesse de rotation plus lente impliquait simplement que le halo de Dragonfly 44 est plus petit qu’ils ne le pensaient. En 2020, un groupe indépendant a encore réduit le halo en comptant considérablement moins d’amas globulaires, mais van Dokkum conteste ce résultat. Bien que la taille du halo reste incertaine, il est peut-être moins massif qu’initialement supposé, ce qui suggère que Dragonfly 44 n’est pas une Voie lactée ratée après tout.
Grande vieille galaxie
Une bizarrerie nouvellement découverte a aggravé le mystère.
Dans un article publié en août, le groupe de van Dokkum a découvert que Dragonfly 44 était extrêmement ancienne, s’étant formée il y a entre 10 et 13 milliards d’années.
Mais une galaxie aussi ancienne ne devrait pas être aussi grande que Dragonfly 44. Les objets du premier univers ont tendance à être plus compacts car ils se sont formés avant l’expansion rapide de l’univers.
De plus, une galaxie aussi ancienne et élimée aurait dû être complètement déchirée maintenant. Le fait que Dragonfly 44 ait tenu ensemble implique qu’il a un halo de matière noire lourd après tout – rétablissant potentiellement l’hypothèse de la «Voie lactée ratée». « C’est une explication vraiment amusante, c’est pourquoi je l’aime, mais je ne sais pas si c’est vrai », a déclaré van Dokkum.
Une autre explication, l’hypothèse du « spin élevé », postule que deux petites galaxies ont fusionné tout en tournant dans le même sens, de sorte que la galaxie résultante, Dragonfly 44, a acquis le moment cinétique des deux. Cela l’a fait tourner plus rapidement, le gonflant et soufflant son matériau de fabrication d’étoiles.
Des UDG d’une diversité éblouissante
Au milieu de l’examen minutieux de Dragonfly 44, les astronomes ont également catalogué une collection vaste et diversifiée d’autres galaxies ultra-diffuses. Les découvertes les forcent à conclure que les galaxies se forment de plus de façons qu’ils ne le savaient.
Certains nouveaux UDG semblent totalement dépourvus de matière noire. Le groupe de Van Dokkum a identifié une de ces galaxies en 2018, puis a repéré une trace d’autres à proximité. En mai, l’équipe a conjecturé dans Nature que la traînée s’est formée lors d’une collision il y a longtemps de deux galaxies. La collision a ralenti le flux de gaz des galaxies, mais leur matière noire a continué comme si de rien n’était. Le gaz s’est ensuite compressé en amas d’étoiles, formant finalement une chaîne de galaxies sans matière noire.
Pendant ce temps, Bennet a découvert deux UDG en 2018 qui indiquent une théorie de formation différente. Dans chaque cas, les forces de marée d’une galaxie lourde à proximité semblent avoir traversé l’UDG, le gonflant et lui volant son gaz. (Cela ne peut pas expliquer Dragonfly 44, qui se trouve trop loin des galaxies lourdes.)
Curieusement, un article de septembre a rapporté la formation récente d’étoiles dans un UDG, contredisant l’idée qu’ils n’hébergent que de vieilles étoiles.
Une telle gamme d’UDG qui se ressemblent extérieurement mais diffèrent en interne peut valider la théorie de la matière noire sur MOND. « Si les étoiles se déplacent très rapidement dans une galaxie et très lentement dans l’autre, c’est un gros problème pour ces théories alternatives », a déclaré van Dokkum.
McGaugh a convenu que s’il y a de « véritables valeurs aberrantes » parmi la population UDG, « c’est en effet un problème pour MOND ». Cependant, a-t-il ajouté, « cela ne fait pas automatiquement de la matière noire une meilleure interprétation ».
Les réponses définitives nécessiteront de nouveaux télescopes. Le télescope spatial James Webb nouvellement opérationnel a déjà repéré des galaxies lointaines telles qu’elles apparaissaient lorsqu’elles se formaient dans l’univers primitif, ce qui aidera à tester et à affiner les idées naissantes.
« Le gros point à retenir est que nous ne savons toujours pas ce qui existe », a déclaré van Dokkum. « Il y a des galaxies que nous n’avons pas découvertes qui sont très grandes, très proches et ont des propriétés inhabituelles, et elles ne sont pas dans nos catalogues actuels même après toutes ces décennies d’étude du ciel. »