En observant et en simulant sur ordinateur les débris d'une collision de deux galaxies, une équipe internationale menée par des astrophysiciens du Laboratoire d'astrophysique des interactions multi-échelles (AIM), avec la participation de chercheurs du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM), a montré qu'ils contiennent de la matière cachée. Ce résultat inattendu indique que les disques galactiques eux-mêmes contiennent de la matière noire, contrairement aux hypothèses classiques des études cosmologiques.
La galaxie NGC5291 (en blanc au centre) et son anneau (incomplet) de débris
de collisions observés à l'aide de l'interféromètre du VLA (en bleu).
Les chercheurs ont mis en évidence la présence de matière noire au sein
de condensations denses formées dans ces débris (en rouge)
Les galaxies spirales telles que notre Voie Lactée sont formées d'un disque d'étoiles et de gaz. La vitesse de rotation anormalement rapide de ces disques indique que la masse totale des galaxies spirales est bien supérieure à la masse visible de gaz et d'étoiles: les galaxies contiennent de grandes quantités de matière cachée, dite "noire", dont la nature précise échappe encore aujourd'hui aux physiciens, mais qui selon les scénarios cosmologiques classiques résiderait dans un halo sphéroïdal étendu, plutôt que dans les disques.
Les forces mises en jeu lors des collisions de galaxies arrachent de grandes quantités de gaz et d'étoiles à leurs disques et les projettent dans le milieu intergalactique sous la forme de filaments ou d'anneaux de matière. Une équipe internationale menée des chercheurs du CEA et du CNRS ont étudié les débris de collision d'une galaxie, NGC5291, à l'aide d'observations radios obtenues avec le Very Large Array (VLA) et d'un modèle numérique de la formation de ce système. Selon leurs simulations effectuées sur les super-calculateurs CEA/CCRt, NGC5291 était une galaxie spirale classique lorsqu'elle a été victime d'une collision violente, il y a 360 millions d'années. L'impact aurait formé un gigantesque anneau de gaz qui aujourd'hui s'étend sur près de 500 000 années-lumière, et qui s'est morcelé en de multiples condensations. Les chercheurs ont mis en évidence dans plusieurs de ces condensations des vitesses de gaz anormalement élevées, attestant d'une masse totale trois fois plus élevée que la masse visible sous forme de gaz ou d'étoiles. Ces débris de collision contiennent donc des quantités significatives de matière noire.
Ce résultat, publié dans la revue
Science, est particulièrement inattendu. En effet, la matière noire initialement présente dans les halos autour des disques galactiques devrait être caractérisée par des mouvements rapides désordonnés qui les rendent insensibles aux forces qui s'exercent lors des chocs entre galaxies. Et donc la masse cachée détectée dans les débris de ces collisions ne peut provenir que des disques des galaxies spirales.
Ces résultats ne dévoilent pas directement la nature de ce mystérieux constituant. Toutefois, parmi les candidats, le plus naturel serait de l'hydrogène moléculaire très froid, très difficilement détectable contrairement au gaz interstellaire classique. Ce sont ainsi plusieurs dizaines de pourcents de la masse des disques des galaxies spirales qui se déroberaient aux observations, en plus de la masse déjà cachée dans les halos.