Une étude co-dirigée par des physiciens de l’UC Riverside et de l’UC Irvine a révélé que les halos de matière noire des galaxies ultra-diffuses sont très étranges, ce qui soulève des questions sur la compréhension des physiciens de la formation des galaxies et de la structure de l’univers.
Les galaxies ultra-diffuses sont appelées ainsi en raison de leur luminosité extrêmement faible. La distribution des baryons – gaz et étoiles – est beaucoup plus étalée dans les galaxies ultra-diffuses que dans les galaxies « normales » de masses similaires.
Dans les questions-réponses suivantes, Hai-Bo Yu, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’UCR, partage ses réflexions sur les découvertes que lui et Manoj Kaplinghat de l’UCI, son collaborateur de longue date, ont publiées dans Le Journal Astrophysique sur les galaxies ultra-diffuses récemment découvertes et leurs halos de matière noire.
Yu et Kaplinghat ont été rejoints dans la recherche par Demao Kong de l’Université Tufts, et Filippo Fraternali et Pavel E. Mancera Piña de l’Université de Groningue aux Pays-Bas. Le premier auteur Kong rejoindra l’UCR cet automne.
Q. Qu’est-ce qu’un halo de matière noire ?
Un halo de matière noire est le halo de matière invisible qui imprègne et entoure une galaxie ou un amas de galaxies. Bien que la matière noire n’ait jamais été détectée dans les laboratoires, les physiciens sont convaincus que la matière noire, qui représente 85 % de la matière de l’univers, existe.
Q. Vous avez découvert que les halos de matière noire des galaxies ultra-diffuses sont très étranges. Qu’est-ce qu’ils ont d’étrange et à quoi les comparez-vous ?
Les galaxies ultra-diffuses que nous avons étudiées sont beaucoup moins massives que, disons, la Voie lactée. Ils contiennent beaucoup de gaz, cependant, et ils ont une masse de gaz beaucoup plus élevée que la masse stellaire totale, ce qui est à l’opposé de ce que nous voyons dans la Voie lactée. Les galaxies ultra-diffuses ont aussi de grandes tailles.
La distribution de la matière noire dans ces galaxies peut être déduite du mouvement des particules de gaz. Ce qui nous surprend vraiment, c’est que la présence de matière baryonique elle-même, principalement sous forme de gaz, est presque suffisante pour expliquer la vitesse mesurée des particules de gaz et laisse peu de place à la matière noire dans les régions intérieures, où la plupart des étoiles et du gaz sont situés.
C’est très surprenant car dans le cas des galaxies normales, dont les masses sont similaires à celles des galaxies ultra-diffuses, c’est l’inverse : la matière noire domine la matière baryonique. Pour tenir compte de ce résultat, nous concluons que ces halos de matière noire doivent avoir des « concentrations » beaucoup plus faibles. C’est-à-dire qu’elles contiennent beaucoup moins de masse dans leurs régions internes que celles des galaxies normales. En ce sens, les halos de matière noire des galaxies ultra-diffuses sont « étranges ».
À première vue, on s’attendrait à ce que de tels halos à faible concentration soient si rares que les galaxies ultra-diffuses n’existeraient même pas. Cependant, après avoir examiné les données des simulations numériques de pointe de la formation de la structure cosmique, nous avons constaté que la population de halos à faible concentration est plus élevée que prévu.
Q. Qu’est-ce qui a été impliqué dans la réalisation de l’étude ?
Il s’agit d’un travail collaboratif. Filippo Fraternali et son étudiant Pavel E. Mancera Piña sont des experts de la dynamique des gaz des galaxies. Ils ont découvert que les galaxies ultra-diffuses tournent plus lentement que les galaxies normales de masses similaires. Nous avons travaillé ensemble pour interpréter les données de mesure du mouvement des gaz de ces galaxies et déduire leur distribution de matière noire. De plus, nous avons analysé les données de simulations de formation de structures cosmiques et identifié des halos de matière noire qui ont des propriétés similaires à celles déduites des galaxies ultra-diffuses.
Q. Vos découvertes soulèvent des questions sur notre compréhension de la formation des galaxies/formation de la structure de l’univers. Comment?
Nous avons de nombreuses questions concernant la formation et l’évolution de ces galaxies nouvellement découvertes. Par exemple, les galaxies ultra-diffuses contiennent beaucoup de gaz et on ne sait pas comment ce gaz est retenu lors de la formation des galaxies. De plus, nos résultats indiquent que ces galaxies peuvent être plus jeunes que les galaxies normales. La formation des galaxies ultra-diffuses n’est pas bien comprise et des travaux supplémentaires sont nécessaires.
Q. Qu’est-ce qui rend les galaxies ultra-diffuses si intéressantes ?
Ce sont des objets étonnants à étudier en raison de leurs propriétés surprenantes, comme discuté dans notre travail. Les galaxies ultra-diffuses récemment découvertes offrent une nouvelle fenêtre pour tester davantage notre compréhension de la formation des galaxies, probablement même la nature de la matière noire.
Demao Kong et al, Les étranges halos de matière noire des galaxies ultradiffuses isolées riches en gaz, Le Journal Astrophysique (2022). DOI : 10.3847/1538-4357/ac8875