L’étude du groupe de recherche, qui comprend également l’Institut national d’astrophysique, remet en question les modèles cosmologiques généralement partagés sur le mystère de la matière noire. Publié aujourd’hui sur arXiv et en version imprimée sur Les lettres du journal astrophysique, le résultat ajoute un élément important à la résolution de l’énigme de la matière noire – dont la nature est l’une des grandes questions de l’astrophysique moderne, encore sans réponse – remettant potentiellement en question les modèles cosmologiques généralement partagés. L’équipe de recherche à l’origine de l’étude a démontré que les vitesses de rotation des galaxies restent étonnamment constantes même à de très grandes distances de leur centreconfirmant les prédictions de la théorie modifiée de la gravité de la dynamique newtonienne modifiée (Mond), qui n’envisage pas la présence de matière noire dans l’univers.
Graphique illustrant les observations rapportées dans l’article : les points rouges montrent la courbe de rotation de la galaxie UGC 6614 à partir d’observations “classiques” de la cinématique des gaz, tandis que les points bleu clair montrent le nouveau résultat statistique utilisant la technique des lentilles faibles. Crédit : T. Mistele et al. (2024)
Dans ce travail, une nouvelle technique a été développée qui permet de mesurer ce que l’on appelle les courbes de rotation des galaxies – c’est-à-dire les vitesses de rotation des galaxies à partir de leur centre – jusqu’à de très grandes distances, égales à environ deux millions et 500 mille lumières. années. La technique utilisée exploite le phénomène de faible lentille gravitationnelle (lentille gravitationnelle faible). Les implications de cette découverte pourraient potentiellement être très vastes, conduisant à redéfinir notre compréhension de la matière noire également à travers des théories cosmologiques alternatives.
Le phénomène de lentille gravitationnelle a été prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein et se produit lorsqu’un objet massif, tel qu’un amas de galaxies ou même une seule étoile massive, courbe le trajet de la lumière provenant d’une source lointaine avec son champ gravitationnel. Cette courbure de la lumière se produit parce que la masse de l’objet déforme le tissu de l’espace-temps qui l’entoure.
Federico Lelli (Inaf), expert en dynamique des galaxies et des systèmes galactiques (groupes et amas) comme bancs d’essai pour les théories de la matière noire et les théories gravitationnelles alternatives. Crédits : Inaf
«Nous avons utilisé la technique de lentille gravitationnelle faible mesurer statistiquement la “courbe de rotation” moyenne de galaxies de masses différentes, atteignant de très grandes distances du centre”, explique-t-il Federico Lelli, premier chercheur à l’INAF d’Arcetri et co-auteur de l’étude. «Nous constatons que les courbes de rotation restent plates pendant des centaines de milliers d’années-lumière, voire quelques millions d’années-lumière : c’est surprenant, car à de telles distances, on s’attendrait à avoir atteint le « bord » du halo. matière noire, donc les courbes de rotation devraient commencer à montrer une diminution képlérienne, mais elles restent plates.
Les courbes de rotation mesurent la vitesse que doit avoir un corps céleste (comme une étoile ou un nuage de gaz) situé à une certaine distance du centre galactique pour rester sur une orbite circulaire autour de la galaxie. La présence de matière noire dans les galaxies a été déduite en étudiant les courbes de rotation entre 1970 et 1980. On pense que les courbes de rotation des galaxies devraient diminuer à mesure que la distance par rapport au centre de la galaxie augmente. Selon la gravité newtonienne, les étoiles situées aux bords extérieurs de la galaxie devraient être plus lentes en raison d’une moindre attraction gravitationnelle. Cette hypothèse ne correspondant pas aux observations, les scientifiques ont émis l’hypothèse de la présence de ce qu’on appelle la matière noire, qui n’émettrait pas de rayonnement électromagnétique mais ne serait détectable que par les effets de son champ gravitationnel. Cependant, même en supposant l’existence de la matière noire, à un certain point, son effet devrait s’affaiblir avec la distance, et donc les courbes de rotation des galaxies ne devraient pas rester constantes indéfiniment.
L’étude met en doute cette hypothèse et livre une révélation surprenante : l’influence de ce que nous appelons la matière noire s’étend bien au-delà des estimations précédentes, c’est-à-dire sur au moins un million d’années-lumière du centre galactique. Une force aussi importante pourrait paradoxalement indiquer que la matière noire, telle qu’elle est comprise jusqu’à présent, n’existe peut-être pas du tout.
“Cette découverte remet en question les modèles existants”, dit-il Tobias Mistele de l’Université Case Western Reserve et premier auteur de l’étude, «suggérant qu’il existe soit de très grands halos de matière noire, soit que nous devons réviser radicalement notre compréhension de la théorie gravitationnelle».
«Nous avons utilisé ces données», ajoute Lelli, «pour étudier la relation de Tully-Fisher – une loi d’échelle entre la masse baryonique (celle dont sont constitués les étoiles et le gaz) et la vitesse de rotation des galaxies – et avons découvert que la même loi persiste lorsque nous utilisons des vitesses mesurées à de très grandes distances. Ce résultat n’est pas du tout évident, car à de telles distances, la vitesse de rotation est entièrement déterminée par la matière noire et non par la matière baryonique. Les observations permettent d’atteindre des distances extrêmement grandes du centre galactique, environ vingt fois supérieures à celles obtenues avec les techniques classiques. À notre grande surprise, nous avons constaté que les courbes de rotation restent presque parfaitement plates – en d’autres termes, la vitesse reste constante – jusqu’aux plus grandes distances que nous sommes capables d’atteindre. »
Ce type d’étude vise à clarifier la nature de la matière noire, ou si ces phénomènes gravitationnels sont dus à un nouveau type de particule élémentaire « invisible » encore à découvrir, ou s’il est nécessaire de revoir les lois gravitationnelles de Newton et d’Einstein. .
«Ce résultat n’a pas d’explication évidente dans le contexte cosmologique standard de la matière noire froide Lambda (Lambda-Cdm) et pourrait avoir à voir avec l’environnement de la galaxie», précise Lelli, «c’est-à-dire avec la répartition des plus petits halos de matière noire. qui est censé orbiter autour du halo principal. Pour limiter cet effet, nous avons en effet sélectionné nos galaxies les plus isolées possible. »
Des courbes de rotation plates allant jusqu’à de grands rayons avaient déjà été prédites par la théorie modifiée de la gravité de Mond, proposée par le physicien Mordehai Milgrom en 1983 comme alternative à la matière noire. «Nos observations sont en accord avec ce que Mond avait prédit il y a plus de 40 ans», conclut Lelli.
Des études plus approfondies sont désormais nécessaires pour clarifier l’énigme cosmologique fascinante et écrire une nouvelle page de l’histoire de l’astrophysique moderne.
En savoir plus:
Regardez le service vidéo sur MédiaInaf TV:
