galaxies naines pauvres en matière noire

Une vieille boule d'étoiles, qui a rassemblé des centaines de milliers de soleils, tourne depuis des milliards d'années à la périphérie d'une galaxie naine. D'après les calculs, elle aurait dû depuis longtemps s'effondrer vers le centre, comme une pierre lourde dans de la gelée. Mais la boule tient bon, et ce fait empêche les astrophysiciens de dormir depuis plusieurs décennies.

Un rayon de lumière passant près d'un corps massif le contourne, comme un coureur contourne le virage d'un stade. Pour une étoile à neutrons, cet angle de déviation est généralement considéré comme identique à celui d'une masse ponctuelle.

Dans une galaxie lointaine, la lumière du gaz incandescent aurait dû révéler sa composition. Le télescope James Webb a décomposé cette lumière en spectre, et les astronomes ont vu : les raies de l'oxygène étaient trop faibles.

Le ciel nocturne semble immuable, mais les galaxies échangent constamment de la matière. La Voie lactée, tel un grand fleuve, absorbe des ruisseaux plus petits – les galaxies naines. Avec leurs étoiles, des planètes peuvent aussi nous parvenir.

Un immense stade rempli de personnes vêtues de noir. Vous êtes à l'extérieur et tentez de deviner ce qui se passe à l'intérieur, sans voir personne. Mais si deux personnes se heurtent et échangent des maillots fluorescents, vous remarquerez un éclair de couleur.

Dans 1433 paires de galaxies dispersées dans le ciel, les astronomes ont remarqué un motif inhabituel. Les voisines situées « au-dessus » ou « en dessous » d'un système stellaire massif contiennent jusqu'à un quart d'oxygène de plus que celles qui se trouvent dans le plan de son disque.

Dans la galaxie NGC 1052 DF2, les étoiles se déplacent à seulement 8 kilomètres par seconde — comme si aucune masse invisible n'était présente. Pour comparaison, dans notre Voie lactée, les étoiles périphériques atteignent 200 kilomètres par seconde, retenues par un halo massif de matière noire.

Couche après couche, artefact après artefact — l'archéologue reconstitue l'histoire d'un ancien village. Ainsi, les astrophysiciens, en analysant les 259 enregistrements de LIGO–Virgo–KAGRA, ont vu une structure stratifiée claire parmi les trous noirs en fusion.

Le 23 novembre 2023, les détecteurs LIGO ont capté quelque chose d'étrange. Le signal d'ondes gravitationnelles d'une fusion de deux trous noirs, numéroté GW231123, indiquait des masses records – 137 et 101 masses solaires – et une rotation anormalement rapide.

Le cosmos ressemble à un tissu de soie dont les fils de la toile sombre émergent. Les véritables toiles, nous ne les voyons qu'en minuscules lambeaux — à travers les télescopes, dans les catalogues réels de galaxie.

Une enquête cosmique longue d'une décennie et demie a livré un indice inattendu. Le télescope Fermi, qui scrute le ciel en rayons gamma, a détecté une lueur régulière et faible qui enveloppe toute la Voie lactée. Elle ne ressemble ni à la lumière des étoiles ni à celle d'un gaz chaud — plutôt à une brume ténue mais omniprésente.

Les galaxies naines qui orbitent autour de la Voie lactée semblent avoir survécu à une tempête gravitationnelle. Leurs corps stellaires sont étirés, dispersés en queues de marée et échauffés de l'intérieur.

Dans un champ de la taille d'un grain de sable tenu à bout de bras se cachent des centaines de galaxies, étirées en arcs par l'amas massif Abell S1063.

Au cœur d'une minuscule galaxie se trouve un amas dense d'étoiles et de matière noire. Cet amas, appelé soliton, n'est pas figé : il tremble et oscille, telle une gelée sur une assiette.

Des galaxies sans matière noire, c'est comme des perles dont on aurait retiré le fil invisible. Autour de la galaxie elliptique NGC 1052 s'étire une chaîne de huit naines fantomatiquement pâles : elles ne contiennent presque pas de cette masse mystérieuse qui fait tourner les bras spiraux.

Si l'on comprime une poignée de sable, elle devient plus dense, mais à un moment donné, les grains de sable se bloquent mutuellement — impossible de compresser davantage. Selon certains théoriciens, l'espace se comporte à peu près de la même manière à des distances extrêmement petites : il possède une limite de divisibilité, une sorte de « grain ».

Au cœur de notre cité d'étoiles — la galaxie — se cache un trou noir supermassif, Sagittaire A*. Autour de lui, l'étoile S2 exécute une danse effrénée. Mais ses mouvements trahissent plus que l'attraction du trou : un partenaire invisible participe à la valse — la matière noire.

Une galaxie, c'est un peu une autoroute cosmique où les étoiles, telles des voitures, filent en rond. Leur vitesse dépend de la « charge » invisible à l'intérieur de leur orbite : plus il y a de masse, plus les véhicules extérieurs vont vite.

Au cœur même de la Voie lactée, quelque chose brille — mais pas d'une lumière stellaire, plutôt de rayons gamma invisibles à l'œil.

Une ampoule tamisée qui se met soudain à éclairer des motifs invisibles sur le mur : c'est un peu ainsi que les astronomes observent les galaxies naines lointaines, ces minuscules îles d'étoiles pauvres en éléments lourds. Dans certaines d'entre elles, on a remarqué une faible lueur violette d'hélium ionisé (la raie spectrale particulière He II 4686 Å).

Autour de notre Galaxie, telle une couronne invisible, s'étend un nuage de gaz ténu, chauffé à des millions de degrés. On l'appelle le halo galactique. Voir cette lueur directement est difficile : elle émet des rayons X mous, absorbés par l'atmosphère terrestre.

Une ville lointaine vue à travers une vitre embuée : les lumières vives se brouillent, les détails se perdent. C'est à peu près ainsi que les astronomes voient le gaz contenant des ions magnésium (magnésium) dans notre Galaxie — les raies spectrales les plus fortes « saturent », empêchant de comprendre la quantité réelle de matière.

Étudier la naissance des galaxies nécessite de simuler des milliards d'années de croissance de la matière noire et de formation d'étoiles — même les superordinateurs s'y attellent lentement.

Les détecteurs de matière noire classiques ressemblent à un gardien de but qui attend un tir puissant alors que le ballon roule à peine. Les particules invisibles qui remplissent notre Galaxie se déplacent souvent trop lentement pour être repérées par les capteurs sensibles.

Le radiotélescope FAST, en Chine, est une antenne géante de 500 mètres de diamètre, nichée dans un entonnoir naturel au milieu des montagnes.

À la périphérie de la Voie lactée, il existe des étoiles qui se déplacent à contre-courant du flux général, comme des voitures roulant sur la voie opposée. On pensait auparavant qu'elles étaient toutes les restes d'une seule galaxie naine que notre Galaxie avait déchirée et absorbée. Mais une nouvelle étude montre que ces galaxies « à contre-courant » étaient plusieurs.

Au télescope, on voit une galaxie qui ressemble à une immense toupie lumineuse. Son disque s'étend sur trente mille années-lumière — un tiers du diamètre de notre Voie lactée. Mais le plus surprenant : cette toupie existait déjà deux milliards d'années après la naissance de l'univers.

Les étoiles aux confins des galaxies tournent étonnamment vite. Selon Newton, plus on s'éloigne du centre, plus le mouvement devrait être lent — comme dans une ronde où les danseurs extérieurs avancent plus doucement.

À 65 millions d'années-lumière de la Terre, dans la constellation de la Baleine, se nichent trois galaxies naines : DF2, DF4 et DF9. Toutes trois sont déclarées « galaxies sans matière noire » — cette substance invisible et mystérieuse qui, d'ordinaire, maintient les étoiles ensemble.

Deux projecteurs placés côte à côte : de loin, leur lumière se fond en une seule tache, et l'on croit voir une source unique. Il en va de même dans l'espace : environ 10 à 20 % des étoiles faibles sont en réalité des paires serrées d'astres identiques. On ne peut pas les distinguer individuellement, mais ensemble, elles brillent nettement plus qu'une étoile simple ayant les mêmes paramètres.

Aux confins de la Voie lactée se cachent de minuscules systèmes stellaires, si peu lumineux qu'on les distingue à peine même avec de puissants télescopes. Jusqu'à récemment, les astronomes ne savaient presque rien de ces objets, baptisés satellites compacts ultra-faibles.

La matière noire est comme une colle invisible qui maintient les galaxies ensemble. Elle n'émet pas de lumière, mais si ses particules entrent en collision, un éclair de rayonnement gamma peut se produire.

Dans la cuisine de la Galaxie, il existe une recette de soupe stellaire. L'ingrédient principal est l'hydrogène, mais le goût du plat dépend d'une pincée de métaux. Pour la première fois, des astronomes ont regardé dans les casseroles où cette pincée manque presque, et ils ont vu : il y manque les plus petites étoiles.

Dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie qui orbite autour de notre Voie lactée, des astronomes ont capturé cinq étoiles qui ressemblent à des fossiles d'un passé très lointain.

Le ciel nocturne semble rempli d'étoiles, mais entre elles se cachent des nuages de gaz où aucune étoile ne s'est allumée. On appelle ces objets des galaxies sombres : ils contiennent assez de gaz, mais celui-ci est trop diffus et trop froid pour s'effondrer en étoiles.

Au cœur de la Voie lactée, une immense chaudière stellaire est en ébullition. Des étoiles massives y naissent et y meurent : chaque mort est une explosion de supernova qui projette dans l'espace des nuages de particules chargées.

Le disque d'étoiles de la Voie lactée ressemble à un brillant moulinet, tandis que la matière noire — cette substance invisible qui ne se manifeste que par la gravité — forme un nuage invisible autour. Pour la première fois, sa forme a été mesurée avec précision.

La galaxie NGC 3627, beauté spirale de la constellation du Lion, recèle une trace qui ne correspond à aucun scénario standard. Une étroite bande de gaz froid, une traînée moléculaire, s'étend sur plus de 8 kiloparsecs (milliers de parsecs, chacun valant environ 3260 années-lumière) pour une largeur d'environ 200 parsecs.

Dans l'étang d'étoiles de la Voie lactée, quelqu'un a jeté une pierre invisible. Ses ondulations ne se sont pas propagées dans l'eau, mais dans le mouvement des étoiles : dans une région de 200 sur 50 parsecs, leur vitesse verticale moyenne est inférieure de 7 km/s à celle des étoiles voisines. L'écart est statistiquement significatif au niveau de 6σ, ce qui exclut une coïncidence.

En 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont capté des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons. Une kilonova a alors jailli : une explosion cosmique brillante dans laquelle, pensait-on, naissent les éléments les plus lourds du tableau périodique.