Des chercheurs de l'Université de Bonn et de l'Université de Californie à Irvine ont utilisé des simulations informatiques sophistiquées pour concevoir un test qui pourrait répondre à une question brûlante en astrophysique :la matière noire existe-t-elle réellement ? Ou faut-il modifier la loi gravitationnelle de Newton ? La nouvelle étude, maintenant publié dans le Lettres d'examen physique , montre que la réponse est cachée dans le mouvement des étoiles au sein de petites galaxies satellites tourbillonnant autour de la Voie lactée.

En utilisant l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde, les scientifiques ont simulé la distribution de matière des galaxies satellites dites « naines ». Ce sont de petites galaxies qui orbitent autour de galaxies plus grandes comme la Voie lactée ou Andromède.

Les chercheurs se sont concentrés sur une relation appelée relation d'accélération radiale (RAR). Dans les galaxies à disques, les étoiles se déplacent sur des orbites circulaires autour du centre galactique. L'accélération qui les oblige à changer de direction est causée par l'attraction de la matière dans la galaxie. Le RAR décrit la relation entre cette accélération et celle causée par la matière visible uniquement. Il donne un aperçu de la structure des galaxies et de leur distribution de matière.

"Nous avons maintenant simulé, pour la première fois, le RAR des galaxies naines en supposant que la matière noire existe, " explique le professeur Cristiano Porciani de l'Institut d'astronomie Argelander de l'Université de Bonn. " Il s'est avéré qu'elles se comportent comme des versions réduites de galaxies plus grandes. " Mais que se passe-t-il s'il n'y a pas de matière noire et que la gravité fonctionne différemment que Newton ne le pensait ? " Dans ce cas, le RAR des galaxies naines dépend fortement de la distance à leur galaxie mère, alors que cela ne se produit pas si la matière noire existe, " explique le chercheur Emilio Romano-Díaz.

Cette différence fait des satellites une sonde puissante pour tester si la matière noire existe réellement. Le vaisseau spatial Gaia, qui a été lancé par l'Agence spatiale européenne (ESA) en 2013, pourrait apporter une réponse. Il a été conçu pour étudier les étoiles de la Voie lactée et ses galaxies satellites avec des détails sans précédent et a collecté une grande quantité de données.

Cependant, il faudra probablement des années pour analyser les données. "Les mesures individuelles ne suffisent pas à tester les petites différences que nous avons trouvées dans nos simulations, " explique le doctorant Enrico Garaldi. " Mais examiner à plusieurs reprises les mêmes étoiles améliore à chaque fois les mesures. Tôt ou tard, il devrait être possible de déterminer si les galaxies naines se comportent ou non comme dans un univers avec de la matière noire."

Le ciment qui maintient les galaxies ensemble

Cette question est l'une des questions les plus urgentes en cosmologie aujourd'hui. L'existence de la matière noire a été suggérée il y a plus de 80 ans par l'astronome suisse Fritz Zwicky. Il s'est rendu compte que les galaxies se déplacent si vite au sein des amas de galaxies qu'elles devraient en fait s'éloigner. Il postule donc la présence de matière invisible qui, en raison de sa masse, exerce une gravité suffisante pour maintenir les galaxies sur leurs orbites observées. Dans les années 1970, sa collègue américaine Vera Rubin a découvert un phénomène similaire dans les galaxies spirales comme la Voie lactée :elles tournent si vite que la force centrifuge devrait les déchirer si seule de la matière visible était présente.

Aujourd'hui, la plupart des physiciens sont convaincus que la matière noire représente environ 80 pour cent de la masse de l'univers. Comme il n'interagit pas avec la lumière, il est invisible aux télescopes. Encore, supposer son existence fournit un excellent ajustement à un certain nombre d'autres observations, telles que la distribution du rayonnement de fond, la rémanence du Big Bang. La matière noire fournit également une bonne explication de l'arrangement et du taux de formation des galaxies dans l'univers. Cependant, malgré de nombreux efforts expérimentaux, il n'y a aucune preuve directe que la matière noire existe. Cela a conduit les astronomes à l'hypothèse que la force gravitationnelle elle-même pourrait se comporter différemment qu'on ne le pensait auparavant. Selon la théorie appelée dynamique newtonienne modifiée (MOND), l'attraction entre deux masses n'obéit aux lois de Newton que jusqu'à un certain point. Aux très faibles accélérations, comme celles qui règnent dans les galaxies, la gravité devient considérablement plus forte. Par conséquent, les galaxies ne se déchirent pas en raison de leur vitesse de rotation et la théorie MOND peut se passer de matière noire.

La nouvelle étude ouvre la possibilité aux astronomes de tester ces deux hypothèses dans un régime sans précédent.