Quasi-absence de matière noire dans les galaxies à 10 miliiards d'AL ?

[yves95210]

Bonjour,

Une actu intéressante, postée par Eric Simon sur son blog :

Une observation importante vient d’être effectuée sur un lot de galaxies lointaines (10 milliards d’années-lumière). Pour la première fois, leurs vitesses de rotation ont pu être mesurées et elles montrent une quasi absence de matière sombre…

La mise en évidence de l’existence d’une anomalie gravitationnelle, qui a mené au concept de matière sombre a été fondée sur l’observation de la rotation des galaxies, principalement situées dans l’Univers proche. Le tracé de la vitesse de rotation des étoiles et du gaz en fonction de la distance radiale dans la galaxie, ce qu’on appelle la courbe de rotation, montre une forme aplatie en fonction de la distance radiale. Mais si la masse de la galaxie correspondait à ce qui est visible (les étoiles et le gaz) et avec notre théorie de la gravitation, cette courbe devrait décroître après être passée par un maximum.

Et voilà qu’une équipe d’astrophysiciens européens a réussi à mesurer la vitesse de rotation sur des grandes galaxies situées non plus dans notre voisinage, mais à 10 milliards d’années-lumière, et surprise : les courbes de rotation qu’ils obtiennent ne sont pas plates mais passent par un maximum puis décroissent, de manière très semblable au cas où il n’y aurait pas de matière sombre
(...)
Pour expliquer cette apparente absence de matière sombre sans toutefois remettre en cause le concept de masse manquante, Reinhard Genzel et ses collègues proposent une double hypothèse : d’abord, la plupart des galaxies massives de cette époque seraient fortement dominées par la matière normale. La matière noire sera bien là mais encore très diffuse, beaucoup moins concentrée que le gaz et les étoiles. Ensuite, les disques galactiques de ces galaxies seraient beaucoup plus turbulents que les disques des belles galaxies spirales de l’Univers local, ce qui aurait pour effet de réduire la vitesse de rotation de la matière ordinaire, surtout dans les cas où la matière sombre est encore assez diffuse. Les chercheurs montrent d’ailleurs que ces effets seraient de plus en plus prononcés lorsque l’on recule dans le temps (et augmente la distance).
(...)
Ainsi, d’après Grenzel et ses collaborateurs, 3 à 4 milliards d’années après le Big Bang, le gaz dans les galaxies se serait déjà condensé efficacement en disques mais la matière noire autour d’eux formerait des halos beaucoup plus vastes et diffus. Cette matière sombre aurait ensuite pris plusieurs milliards d’années supplémentaires pour se concentrer à son tour et finir par dominer les galaxies d’aujourd’hui, en accélérant leur rotation au passage…
Cette observation inédite et étonnante donne de précieuses informations et est un pas important dans la compréhension du processus de formation des grosses galaxies comme la nôtre et surtout sur le comportement et le rôle de la matière sombre dans ce processus.

La publication dont il parle est ici : http://dx.doi.org/10.1038/nature21685

Je ne sais pas trop quoi penser de l'explication donnée par les auteurs (je n'ai pas encore lu la publication). Il me semblait au contraire que la présence de matière noire était un ingrédient indispensable à la formation des grandes structures dans le cadre du modèle cosmologique standard, et que, si elle n'interagit que gravitationnellement, elle devrait s'agréger plus vite au sein de ces structures que la matière ordinaire.
Me trompe-je ?

Mais ces observations mettent encore plus en difficulté les théories de gravitation modifiée : si les courbes de rotation des galaxies pouvaient s'expliquer uniquement par la masse de la matière ordinaire qu'elles contiennent, je ne vois pas pourquoi celles des galaxies observées ci-dessus seraient différentes de celles qu'on observe pour des galaxies plus proches (dans l'espace et dans le temps).
A moins que cela s'explique aussi par l'hypothèse évoquée dans la publication (les disques galactiques de ces galaxies seraient beaucoup plus turbulents que les disques des belles galaxies spirales de l’Univers local, ce qui aurait pour effet de réduire la vitesse de rotation de la matière ordinaire) ?

Bref, vos avis éclairés sont les bienvenus.

Cordialement.
-----

[invite0bbe92c0]

Bonjour

Je ne sais pas trop quoi penser de l'explication donnée par les auteurs (je n'ai pas encore lu la publication). Il me semblait au contraire que la présence de matière noire était un ingrédient indispensable à la formation des grandes structures dans le cadre du modèle cosmologique standard, et que, si elle n'interagit que gravitationnellement, elle devrait s'agréger plus vite au sein de ces structures que la matière ordinaire.
Me trompe-je ?

Je ne sais pas mais j'ai eu exactement la même réaction à la lecture.

Gilgamesh nous a, il n'y a pas longtemps, gratifié d'une de ses brillantes et toujours claires explications sur ce sujet, explication dont il me semblait qu'il ressortait que l'absence d'interaction, en dehors de la gravitation, de la matière noire faisait en effet qu'elle devait s'agréger plus vite.

J'espère qu'il va passer par là et nous mâcher un peu l'analyse.

[yves95210]

J'espère qu'il va passer par là et nous mâcher un peu l'analyse.

Ouaip. J'avais d'ailleurs hésité à poster cette actualité plutôt dans le forum Astronomie & Astrophysique, où il est plus assidu

[yves95210]

En attendant qu'un spécialiste nous éclaire ici, voici ce que Eric Simon m'a répondu, dans les commentaires sur son blog, où j'avais fait à peu près la même remarque:

la grosse différence entre matière noire froide non relativiste et gaz, c'est que le gaz a une self-interaction (diffusion des particules entre elles etc) et ça, ça permet une agrégation plus rapide... Cela indiquerait donc que la DM n'aurait vraiment pas de self-interaction ou très peu. Après, l'hypothèse des halos très diffus qui est faite vaut ce qu'elle vaut... il va falloir suivre ce qu'en disent les modélisateurs de formation des embryons de galaxies.

[A voir en vidéo sur Futura]

[yves95210]

Pour les modérateurs :

Bonjour,

J'ai ouvert la discussion ici par discipline forum-esque, parce qu'il s'agissait d'une actualité. Mais cette section du forum me semble plutôt peu fréquentée, en tout cas par les experts du domaine concerné, et je crains qu'il n'y ait pas d'autres réponses, alors que le sujet me semble pour le moins intéressant.

Serait-il possible de déplacer la discussion dans la section Astronomie et Astrophysique ? Je ne veux pas y ouvrir une nouvelle discussion pour ne pas créer de doublon.

(à moins que la rédaction de Futura ait prévu de publier un article sur le sujet prochainement, et qu'il apparaisse alors dans la section Commentez les actus)

Cordialement.

[Flyingbike]

Discussion déplacée
Bon week-end à tous

[papy-alain]

Cela pourrait il signifier que dans l'univers primordial, la formation des grandes structures se serait faite sans la matière noire ?

[Gilgamesh]

Ce que ça semble indiquer c'est que la masse de matière noire nécessaire pour expliquer la courbe de rotation des grandes galaxies (il est question de six massive star-forming galaxies, donc on va dire que ce sont des galaxie de masse semblable à la nôtre) n'est pas celle nécessaire à leur formation. J'ai l'impression que ça amende un peu le processus hiérarchique. Dans ce dernier, une grande galaxie résulte simplement de la fusion de galaxies naines. Et ces dernières se forment au sein de globules de matière noire. Si c'est ça et pas autre chose, le ratio baryon/CDM devrait rester le même pendant tous le processus. Toutefois on sait par ailleurs que les courants d'hydrogène neutre jouent un rôle important dans l'alimentation des galaxies en gaz frais. Ce processus est d'autant plus important que le gaz est froid. Et la présence d'élément lourds est un facteur efficace de refroidissement. Donc l'hypothèse qui me vient naturellement a l'esprit, au vu de ce résultat c'est que le processus de refroidissement du gaz d'amas joue un rôle important dans le processus. Ensuite, la galaxie capterait progressivement des globule de matière noire de toute taille pour arriver à l'état actuel.

Mais comme le dit Eric Simon que tu as contacté, ce sont les modélisations nous devraient nous permettre de quantifier l'importance relative de chaque phénomène. Et bien sûr, la décennie qui vient, avec l'arrivée des très grands miroirs (ELT), ALMA et le JWST, va nous permettre de débrouiller l'astrophysique de ces tous premiers milliards d'années qui nous apparaissent sous forme de pixels rougeâtres à l'extrême limite de nos instruments, dans le flou artistique que leur donne une distance de luminosité qui croit avec le carré du redshift mais que l'on sait animé d'une dynamique stellaire et galactique bien plus vigoureuse qu'aujourd'hui. Ça promet.

[yves95210]

Bonjour Gilgamesh,

et merci pour ton analyse. Pour info, la publication est disponible sur arxiv : https://arxiv.org/abs/1703.04310

Une idée (et une question) : si la formation des galaxie avec leur halo de matière noire se fait en deux temps, avec d'abord une étape d'agrégation de la matière baryonique au sein d'une bulle de matière noire diffuse, puis une deuxième où le halo de matière noire se forme sous l'influence gravitationnelle de la matière baryonique de la jeune galaxie, est-ce que ça ne pourrait pas expliquer la corrélation entre l'accélération radiale mesurée à partir des courbes de rotation et l'accélération gravitationnelle due à la matière baryonique (cf. la publication de McGaugh & al. en septembre 2016), et donc le fait que la distribution de la matière noire semble déterminée par celle de la matière baryonique ?
Il resterait alors à comprendre pourquoi cette corrélation obéit à une loi universelle (dépendant d'un seul paramètre dont la valeur est la même dans toutes les galaxies observées), mais dans cette hypothèse ça me semblerait moins surprenant, sans pour autant faire appel à une modification de la gravitation.

Ceci dit, comme il me semblait que les courbes de rotation de ces très anciennes galaxies mettaient en difficulté les théories de gravitation modifiée, j'ai aussi jeté un oeil au blog de McGaugh pour voir s'il évoquait cette observation. Il en parle en réponse à un commentaire sur un autre post:

Indeed, these are massive, high surface brightness galaxies. Their rotation curves are not very extended. By eye, it doesn’t look like they reach the MOND regime. They look like the inner parts of normal rotation curves for such galaxies. I’d expect to see flattening if they could get further out; don’t see anything surprising in the data so far as they go. Perhaps this is worthy of its own post (...)

Je dirais que c'est une réponse au doigt mouillé... ça sera intéressant de voir si il publie réellement un post de blog ou un article permettant de justifier son opinion.

[Gilgamesh]

Au doigt mouillé je dirais comme toi. La galaxie s'habilleraient d'un halo de matière noire correspondant à leur masse baryonique initiale.

[yves95210]

Bonjour,

Je vous invite à lire l'article que McGaugh a posté sur son blog : Declining Rotation Curves at High Redshift?
Il y argumente de manière détaillée (et je trouve, assez convaincante) le commentaire que j'avais cité précédemment : compte-tenu du fait que les données se limitent à un rayon de 10 kpc autour du centre des galaxies concernées (à cette distance elle ne sont pas assez lumineuses pour qu'on puisse aller au-delà avec les moyens actuels), on peut aussi bien faire coller les courbes de rotation obtenues avec celles prévues en l'absence de matière noire (declining rotation curves) qu'avec celles présentant l'aplatissement habituel. Et cela d'autant plus que plus on s'éloigne du centre, plus les barres d'erreurs sont importantes, et permettent donc de choisir quelque peu arbitrairement la pente de la courbe - d'où le risque de surinterpréter les résultats.
En conclusion :

So, in summary: the data at high redshift appear completely consistent with those at low redshift. The claim of falling rotation curves would be problematic to both ΛCDM and MOND. However, this claim is not persuasive – the data simply do not extend far enough out.

Cordialement.

[Deedee81]

Bonjour,

Une actualité a été ouverte sur le sujet.
http://forums.futura-sciences.com/co...s-dannees.html

Comme d'hab, je vous invite à y continuer la discussion s'il y a lieu.

Merci,