Le problème de temps des amas globulaires dans les galaxies naines reste l'une des contradictions les plus marquantes entre les prédictions du modèle standard de matière noire froide et les observations. Dans ce modèle, les pics de densité au centre des halos et un fort frottement dynamique devraient, en quelques milliards d'années, entraîner les amas d'étoiles massifs vers le centre ; or, dans la réalité, des amas âgés de plus de 10 milliards d'années continuent de tourner tranquillement à la périphérie. Ce travail s'inscrit dans le courant de recherches qui cherchent la solution à ce problème dans une modification des propriétés de la matière noire elle-même, et non dans un ajustement des conditions initiales. À proximité, dans les archives, figurent des travaux sur la suppression du frottement dynamique par des vortex sombres, sur les ondes quantiques comme indicateur de la nature de la matière noire et sur les galaxies sans matière noire, ce qui dessine une orientation générale de recherche : tester les modèles alternatifs aux petites échelles.
Les auteurs ont utilisé un échantillon de candidats amas globulaires issu des premières données d'observation du télescope « Euclid » pour deux amas de galaxies : la Fournaise (environ 20 Mpc) et Persée (environ 72 Mpc). Après sélection par luminosité et exclusion des objets proches des centres galactiques, il restait 39 amas dans 12 galaxies naines de la Fournaise et 4487 amas dans 749 galaxies de Persée. Pour chaque galaxie, la masse du halo de matière noire a été estimée à partir de la relation masse stellaire-halo, puis un profil de densité a été construit dans le modèle de matière noire floue comme la somme d'un cœur solitonique central et d'une enveloppe externe tendant vers le profil de Navarro-Frenk-White. Les orbites des amas ont été intégrées à l'aide de la bibliothèque galpy, en tenant compte d'une force de frottement dynamique modifiée qui dépend du nombre quantique de Mach et du nombre d'onde. Pour chaque amas, la méthode de bissection a permis de trouver la valeur maximale du paramètre de masse m₂₂ pour laquelle l'amas ne tombe pas au centre en 10 milliards d'années. Quatre configurations d'orbites ont été examinées : avec rayon projeté ou déprojeté, et avec une excentricité de 0 ou 0,5.
Dans le modèle de matière noire floue, les amas globulaires des galaxies naines cessent de subir une chute orbitale vers le centre pour des masses de particule suffisamment faibles. Pour l'amas de la Fournaise, la limite supérieure obtenue est m₂₂ ≤ 1,46+0,51−0,32, pour l'amas de Persée m₂₂ ≤ 1,09+0,14−0,21, et pour la galaxie naine sphéroïdale de la Fournaise m₂₂ ≤ 1,38+0,48−0,45. Ces trois contraintes s'accordent bien entre elles. Les incertitudes liées au choix de la configuration orbitale se sont révélées faibles, ce qui renforce la fiabilité du résultat. Les limites obtenues s'accordent avec les estimations issues de la dynamique des étoiles dans les galaxies naines (m₂₂ < 1 et < 0,4), mais contredisent la borne inférieure m₂₂ > 1,5 issue de la survie des courants stellaires froids et les valeurs plus élevées issues de la forêt Lyman-alpha (m₂₂ ≈ 7–20).
Ce travail se distingue des études voisines par le fait qu'il applique pour la première fois les données d'« Euclid » à une analyse de masse portant sur des milliers d'amas globulaires dans deux amas de galaxies à la fois, et non dans une seule galaxie naine. Cela permet d'obtenir des contraintes statistiquement plus fiables sur la masse de la particule de matière noire floue. En outre, contrairement à beaucoup de travaux antérieurs, les auteurs prennent en compte non seulement la modification du profil de densité, mais aussi celle du frottement dynamique, ce qui rend le modèle auto-cohérent. Le résultat montre que le problème de temps peut être résolu dans le cadre de la matière noire floue, mais seulement pour des valeurs de masse qui se trouvent en tension avec d'autres contraintes astrophysiques. Cela indique que soit le modèle demande à être affiné, soit le problème de temps a une explication plus complexe, liée aux conditions de formation des amas.
Les prochaines publications de données d'« Euclid » fourniront un ordre de grandeur de plus de candidats amas globulaires, ce qui permettra de réduire considérablement la plage de masses autorisée pour la particule. Il est également prévu de tenir compte de la non-sphéricité du potentiel des galaxies naines, qui peut modifier la dynamique des amas et décaler les contraintes vers des masses plus élevées. Une autre piste consiste à étudier la distribution des rayons de naissance initiaux des amas, car l'hypothèse selon laquelle ils se sont formés aux distances actuelles maximise le problème de temps et donne la limite la plus conservatrice. Si les amas naissaient plus loin du centre, la contrainte sur la masse de la particule s'affaiblirait et, peut-être, atténuerait la tension avec les autres données.
Les résultats ont un impact sur la cosmologie aux petites échelles, sur la physique des bosons ultra-légers et sur l'interprétation des données du télescope « Euclid ».
Utiliser des échantillons plus grands issus des futures publications de données d'« Euclid » et intégrer des potentiels galactiques non sphériques dans la modélisation.
Ce travail est directement lié au problème non résolu du temps des amas globulaires dans les galaxies naines, ainsi qu'à la question plus large de la nature de la matière noire et de ses manifestations à l'échelle galactique.
La masse de la particule de matière noire floue est 10²² fois plus petite que celle de l'électron, mais ses propriétés ondulatoires se manifestent à des échelles de plusieurs milliers d'années-lumière.
L'idée d'une matière noire ultra-légère formant des ondes quantiques à l'échelle galactique fait écho à la notion de « brouillard quantique » dans le roman de Greg Egan « L'Échelle de Schild », où la physique du vide détermine la structure de l'univers.