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L'énigme de la matière noire dans les galaxies naines résolue grâce aux supernovae ?
Le 21 janvier 2010 à 17h27

Le modèle de la matière noire froide fonctionne très bien pour les structures à grandes échelles de l’Univers mais nettement moins bien au niveau des galaxies naines. Une équipe internationale d’astrophysiciens vient de réconcilier les observations et les prédictions en faisant intervenir le souffle des supernovae.
Impossible de se passer de matière noire lorsqu’on cherche à comprendre l’origine des galaxies et comment se déroule une collision entre deux amas de galaxies. Toutefois, au niveau des galaxies individuelles, il n’est pas nécessaire de postuler une composante de matière invisible, formée de particules encore jamais vues en accélérateurs, pour rendre compte des vitesses anormalement élevées des étoiles dans les galaxies spirales. En effet, on peut introduire une modification à grande distance de la loi en 1/r2 pour la force de gravitation. C’est ce que fait la théorie MOND de Milgrom et ses variantes comme la théorie TeVeS de Bekenstein.
Le modèle de matière que l’on utilise pour décrire les galaxies est celui dit de la matière noire froide (Cold Dark Matter ou CDM en anglais) et il repose sur l’existence de particules massives et lentes, insensibles aux forces électromagnétiques et nucléaires fortes. Malheureusement, si les simulations numériques comme celle du Millénaire sont en très bon accord avec les observations en utilisant un modèle dit Lambda CDM, faisant intervenir une constante cosmologique Lambda, elles échouent face aux galaxies naines.
Le premier écueil se situe au niveau du nombre de galaxies naines. Beaucoup devrait s’être formées mais les observations indiquent un nombre faible, même si on commence à en découvrir de plus en plus, cachées par leur faible luminosité. Le second se trouve dans la structure des galaxies naines elles-mêmes.
Alors qu’elles se présentent sous forme de disques sans bulbe central et avec une distribution presque constante de matière noire à l’intérieur, les modèles numériques s’obstinaient à prédire un bulbe central présentant un pic dans la densité de matière noire. Ces observations menaçaient donc de faire chanceler le modèle CDM, soit parce qu’il faudrait introduire de nouvelles particules de matière noire plutôt en rapport avec les modèles de matière noire dite chaude, soit, peut-être en changeant la loi de la gravitation. Selon d’autres observations, en effet, on pouvait se demander si les galaxies naines ne désobeissaient pas à la loi de la gravitation de Newton.
Cette situation désagréable vient de changer grâce à de nouvelles simulations numériques faisant intervenir un phénomène jusque-là négligé : le souffle des explosions de supernovae.
Richard Bower, un cosmologiste de l’Université de Durham (UK), Chris Brook de l’University of Central Lancashire et leurs collègues suisses, américains et canadiens ont effectué une simulation gourmande en temps de calcul à l’aide de 250 processeurs pendant environ deux mois. En variant les conditions initiales, ils ont cherché à voir ce que diraient les modèles de formation des galaxies naines si l’on tenait compte des flots de matière issus du milieu interstellaire éjectés par les explosions de supernovae. Dans ces galaxies, la force d’attraction est plus faible que dans des galaxies beaucoup plus massives et ce mécanisme peut donc y jouer un rôle important.
Remarquablement, l’éjection de la matière normale inhibe la concentration de la matière noire au centre des galaxies naines et par la même occasion défavorise la formation d’un bulbe central. L’accord obtenu entre théorie et observation est cette fois plutôt bon. Reste cependant à vérifier ce qui se passe dans les grandes galaxies. Pour le moment, cela n’est pas envisageable car il faudrait multiplier par 10 le temps de calcul mais gageons que cela sera possible dans un avenir assez proche...
L’article exposant les travaux des chercheurs est publié dans Nature.
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