Isolé depuis des milliards d'années, une galaxie contenant plus de matière noire que prévu a été identifiée par des astronomes à l'aide des données de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA.

La galaxie, connu sous le nom de Markarian 1216 (en abrégé Mrk 1216), contient des étoiles qui sont à moins de 10 % de l'âge de l'univers, c'est-à-dire presque aussi vieux que l'univers lui-même. Les scientifiques ont découvert qu'elle a connu une évolution différente de celle des galaxies typiques, à la fois en termes de ses étoiles et de la matière noire invisible qui, par gravité, tient la galaxie ensemble. La matière noire représente environ 85 % de la matière de l'univers, bien qu'il n'ait été détecté qu'indirectement.

Mrk 1216 appartient à une famille de galaxies de forme elliptique qui sont plus densément peuplées d'étoiles en leur centre que la plupart des autres galaxies. Les astronomes pensent qu'ils sont descendus du rougeâtre, galaxies compactes appelées « pépites rouges » qui se sont formées environ un milliard d'années après le big bang, mais ont ensuite bloqué leur croissance il y a environ 10 milliards d'années.

Si cette explication est correcte, alors la matière noire de Mark 1216 et de ses cousins ​​galactiques devrait également être étroitement emballée. Pour tester cette idée pour la première fois, une paire d'astronomes a étudié la luminosité et la température des rayons X du gaz chaud à différentes distances du centre de Mrk 1216, afin qu'ils puissent "peser" combien de matière noire existe au milieu de la galaxie.

« Quand nous avons comparé les données de Chandra à nos modèles informatiques, nous avons trouvé qu'une concentration beaucoup plus forte de matière noire était nécessaire que dans d'autres galaxies de masse totale similaire, " a déclaré David Buote de l'Université de Californie à Irvine. "Cela nous dit que l'histoire de Mrk 1216 est très différente de la galaxie typique. Essentiellement, toutes ses étoiles et sa matière noire ont été assemblées il y a longtemps avec peu d'ajouts au cours des 10 derniers milliards d'années."

Selon la nouvelle étude, un halo, ou sphère floue, de matière noire s'est formée autour du centre de Mrk 1216 environ 3 ou 4 milliards d'années après le big bang. On s'attend à ce que ce halo s'étende sur une région plus vaste que les étoiles de la galaxie. La formation d'une telle galaxie à pépites rouges était typique d'un large éventail de galaxies elliptiques observées aujourd'hui. Cependant, contrairement à Mrk 1216, la plupart des galaxies elliptiques géantes ont continué à croître progressivement en taille lorsque des galaxies plus petites ont fusionné avec elles au cours du temps cosmique.

"Les âges anciens et la concentration dense des étoiles dans des galaxies elliptiques compactes comme Mrk 1216 vues relativement proches ont fourni la première preuve clé qu'elles sont les descendantes des pépites rouges vues à de grandes distances, " a déclaré le co-auteur Aaron Barth, également de l'Université de Californie à Irvine. "Nous pensons que la taille compacte du halo de matière noire que l'on voit ici confirme l'affaire."

Précédemment, les astronomes ont estimé que le trou noir supermassif de Mrk 1216 est plus massif que prévu pour une galaxie de sa masse. Cette étude la plus récente, cependant, a conclu que le trou noir est susceptible de peser moins d'environ 4 milliards de fois la masse du Soleil. Ça semble beaucoup, mais il n'est peut-être pas exceptionnellement massif pour une galaxie aussi grande que Mrk 1216.

Les auteurs ont également recherché des signes d'explosions du trou noir supermassif au centre de la galaxie. Ils ont vu des traces de cavités dans le gaz chaud similaires à celles observées dans d'autres galaxies massives et amas de galaxies comme Persée, mais davantage de données sont nécessaires pour confirmer leur présence.

Les données de Mrk 1216 fournissent également des informations utiles sur la matière noire. Parce que la matière noire n'a jamais été directement observée, certains scientifiques se demandent s'il existe. Dans l'étude, Buote et Barth ont interprété les données de Chandra en utilisant à la fois la norme, Des modèles de gravité « newtoniens » et une théorie alternative connue sous le nom de dynamique newtonienne modifiée, ou "MOND" conçu pour éliminer le besoin de matière noire dans les galaxies typiques. Les résultats ont montré que les deux théories de la gravité nécessitaient environ la même quantité extraordinaire de matière noire au centre de Mrk 1216, éliminant efficacement le besoin de l'explication MOND.

« À l'avenir, nous espérons aller plus loin et étudier la nature de la matière noire, " a déclaré Buote. " L'accumulation dense de matière noire au milieu de Mrk 1216 peut fournir un test intéressant pour les théories non standard qui prédisent une matière noire moins concentrée au centre, comme pour les particules de matière noire qui interagissent les unes avec les autres par un moyen supplémentaire autre que la gravité."

Un article décrivant ces résultats est paru le 1er juin Numéro 2019 du Journal d'astrophysique .