Galaxies naines d'Andromède : un test pour une nouvelle physique ? Par Laurent Sacco

Galaxies naines d'Andromède : un test pour une nouvelle physique ?









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Une vue inhabituelle de la galaxie d'Andromède. M31 est ici prise en
photo par Galaxy Evolution Explorer, un observatoire astronomique
spatial destiné à l'observation de galaxies dans l'ultraviolet.

Dans la dernière partie de notre enquête consacrée à la troublante découverte d’un disque de galaxies naines autour de la galaxie d’Andromède par les membres du Pan-Andromeda Archaeological Survey (Pandas), Benoît Famaey nous explique pourquoi elle pourrait bien être une fenêtre sur une nouvelle physique inscrite dans le cadre de la théorie proposée par Mordehai Milgrom : Mond. L’histoire de la Voie lactée et d’Andromède pourrait même être révisée.


On sait qu’il n’est quasiment pas possible d’expliquer les observations concernant les collisions entre amas de galaxies sans faire intervenir des particules de matière noire non baryonique. Cela semble même une impossibilité lorsque l’on considère le spectre de puissance du rayonnement fossile révélé par les observations de WMap.


Inversement, au niveau des galaxies, le modèle de la matière noire
froide rencontre des difficultés et pose des énigmes dont il semble de
plus en plus clair qu’elles se résolvent simplement et naturellement si
on les considère dans le cadre de Mond.

Comme nous l'explique Benoît Famaey (qui twitte les
articles scientifiques qu'il trouve intéressants sous le pseudo @darth_ben) dans la première partie de son interview, la découverte d'un disque de galaxies naines autour d'Andromède par les membres de la collaboration Pan-Andromeda Archaeological Survey (Pandas)
peut effectivement contribuer à faire pencher la balance en faveur de
la théorie proposée en 1983 par Mordehai Milgrom. Elle entre en effet en
conflit avec le modèle de la matière noire froide, qui sert de base aux simulations de formation des grandes structures de l'univers observable comme celle de la Bolshoi Simulation.


Futura-Sciences : On sait que les collisions
de galaxies sont fréquentes dans l’univers observable et qu’elles
s’accompagnent de la formation de queues de marée constituées d’étoiles et de gaz arrachés aux galaxies en interaction, au sein desquelles peuvent se former de nouvelles galaxies par effondrement
du gaz. Pourquoi ne peut-on pas éviter le conflit avec le modèle de la
matière noire froide en expliquant les disques d'Andromède et de la Voie
lactée par l’accrétion de ces galaxies créées dans les queues de marée
qu’on appelle des galaxies naines de marée ?


Benoît Famaey : On touche ici le
cœur du problème avec les disques de satellites. Il est vrai que la
matière noire domine la matière baryonique dans une galaxie spirale
si l’on considère le volume du halo dans lequel se trouvent la matière
noire et le disque dans lequel est confinée la matière baryonique. Mais
du fait de la taille du halo, la densité de matière noire est en fait très faible dans le disque d'une galaxie, où c’est finalement la matière normale qui domine.


Lorsque deux galaxies entrent en interaction et que
des courants de marée se forment à partir des disques des deux galaxies
progénitrices, les galaxies naines qui peuvent ultérieurement y
apparaître dans une configuration anisotrope
ne doivent donc pas être dans un grumeau de matière noire. On ne doit
donc pas constater d’effets dus à la matière noire dans les naines de
marée.

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Sur cette image prise par Hubble, on voit NGC 4676 A (à droite) et B (à gauche), également appelée galaxies des Souris (Mice Galaxies, en anglais). Il s’agit de deux galaxies spirales situées dans la constellation de la Chevelure de Bérénice à environ 290 millions d'années-lumière
de la Voie lactée. Ces deux galaxies sont entrées en interaction.

Notez
la longueur d'une des queues de marée. Il est possible que ces deux
galaxies soient déjà entrées en collision, et recommencent jusqu'à ce
qu'elles fusionnent.

Ce n’est pas du tout ce qu’on observe avec les
galaxies naines autour de la Voie lactée, et ce ne semble pas être le
cas non plus avec celle autour d’Andromède, où tout se passe comme si
elles contenaient beaucoup de matière noire. Ce qui s'explique
naturellement avec Mond, étant donné la très faible accélération
gravitationnelle à l'intérieur de ces petites galaxies.


En résumé, le modèle cosmologique standard fait deux
prédictions en ce qui concerne les galaxies naines autour de grandes
galaxies comme la Voie lactée et Andromède : elles sont très nombreuses et sont majoritairement distribuées d’une façon uniforme.


Les observations montrent qu’elles sont peu
nombreuses et souvent rassemblées dans un disque. Cela se comprend bien
si une grande partie d’entre elles ne se sont pas formées pendant les âges sombres, quand l’univers n’avait que quelques centaines de millions d’années, mais un peu plus tard, du fait des forces de marée entre les grandes galaxies en collisions.


Mais s’il s’agit bien de naines de marée, alors
elles ne devraient pas contenir de matière noire, ce qui est en
contradiction avec les observations.





Cette vidéo montre le Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT)
sur le Mauna Kea. C'est avec ses instruments que les membres de la
collaboration Pan-Andromeda Archaeological Survey (Pandas) ont étudié la
population de galaxies naines autour d'Andromède pendant des années.

Comment peut-on résoudre ces énigmes ?
Faut-il postuler de la nouvelle physique comme celle que demande le
cadre théorique posé par Milgrom avec Mond ?


Benoît Famaey : Il n’est peut-être pas impossible que la solution se trouve au niveau des simulations numériques
tout à fait standard. On sait qu’elles ne prennent en général pas en
compte, ou mal, les effets d’une rétroaction du comportement de la
matière baryonique tombant dans les zones de surdensité de matière
noire, lorsque les galaxies commençaient leur formation.


Il y a ainsi, par exemple, le souffle des explosions de supernovae et le rayonnement des quasars. Toutes choses qui, pendant la réionisation
mettant un terme aux âges sombres, pouvaient influer sur la
distribution de matière normale, et par exemple stopper la formation de
certaines galaxies naines ou les rendre tellement pauvres en étoiles
qu’elles seraient difficilement détectables aujourd’hui. Qui sait, des
inhomogénéités dans ce processus de réionisation pourraient peut-être (si on est très optimiste) aboutir à certaines anisotropies telles qu'observées aujourd'hui pour les galaxies naines.


On pourrait aussi faire intervenir un mode de formation des galaxies (comme celle testée par les simulations sur l'un des plus gros ordinateurs
du monde, MareNostrum, du Barcelona Supercomputing Center) qui fait la
part belle non pas à des fusions entre galaxies, mais à des courants froids
de matière baryonique. Ces filaments sont plus fins que ceux de matière
noire, et on pourrait imaginer que les naines des disques observées y
aient pris naissance. Ce qui expliquerait pourquoi leur distribution est
franchement anisotrope, mais aboutirait au même problème que celui des
naines de marée : elles seraient privées de matière noire.


Donc, dans presque tous les scénarios expliquant
naturellement la distribution anisotrope, on a bien du mal à expliquer
pourquoi les naines se comportent comme si elles contenaient beaucoup de
matière noire, alors qu’elles ne devraient pas… sauf si l’on fait
intervenir Mond.

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Le physicien israélien Mordehai Milgrom a proposé au début des années 1980 un nouveau cadre pour la théorie de la gravitation. Il s'agissait d'expliquer les anomalies des mouvements des étoiles dans les galaxies sans postuler de nouvelles particules, donc en dehors du modèle de la matière noire froide.

À vous entendre, il semblerait que si les
collisions entre amas de galaxies requièrent la présence de matière
noire et de ne pas modifier les lois de la gravitation, c’est à la
conclusion inverse à laquelle on est amenée lorsque l’on considère les
disques de galaxie naines.


Benoît Famaey : On a effectivement
l’impression que si la matière noire est une nécessité pour rendre
compte des observations avec le rayonnement fossile
et les collisions d’amas de galaxies, le cadre théorique de Mond
devient particulièrement attractif lorsque l’on considère les galaxies.


Ce n’est pas forcément un paradoxe : Mond dérive
peut-être du comportement encore mal compris du fluide composant la
matière noire, comme le propose Luc Blanchet.
On éviterait alors le conflit avec les observations concernant le
rayonnement fossile. On ne sait pas encore non plus quelle est la bonne
formulation relativiste de Mond. Milgrom explore ainsi depuis quelque
temps une théorie baptisée Bimond. Elle pourrait être compatible, elle aussi, avec les observations concernant le fond diffus cosmologique.


Il existe en fait un scénario très séduisant, bien
que très spéculatif, qui fait intervenir Mond : une collision dans le
passé entre Andromède et une autre galaxie, qui pourrait expliquer
qualitativement ce qu’on observe avec les disques de naines d’Andromède
et de notre Galaxie.


François Hammer
et ses collègues ont montré, avec des simulations conduites dans un
cadre standard, qu’il était possible de rendre compte de diverses
structures associées à Andromède si l’on supposait qu’elle était entrée
en collision, suivie d’une fusion, avec une autre galaxie, voilà neuf à
dix milliards d’années. En bonus, ces simulations ont montré qu’il était
possible aussi de rendre compte qualitativement de la distribution des
galaxies naines de la Voie lactée en reliant leur formation à cette
ancienne collision, accréditant le statut de naines de marée pour ces
galaxies.


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Françoise Combes
est une astrophysicienne dont les recherches portent sur la formation
et l’évolution des galaxies. Elle est membre de l’Académie des sciences
depuis 2004.
De façon intéressante, Françoise Combes
et son équipe ont fait des simulations de collisions de deux galaxies
avec Mond. Plutôt que de fusionner immédiatement, comme on l’observe
dans le cadre de la physique standard, les deux galaxies oscillent l'une
autour de l'autre.


Si l’on met tous ces éléments bout à bout, on se
rend compte que la galaxie, qui est peut-être entrée en interaction avec
Andromède dans le passé, pourrait bien être notre Voie lactée. Leur rencontre qui est prévue dans quelques milliards d’années ne serait donc pas la première.


De plus, Mond et cette rencontre passée
expliqueraient naturellement la géométrie particulière du disque de
galaxies satellites autour d'Andromède, disque qui est dirigé vers la
Voie lactée et a un sens de rotation similaire à celui du disque de
satellites de la Voie lactée. Il s'agit évidemment d'un scénario
extrêmement spéculatif, mais pas tellement plus que les scénarios
évoqués plus haut dans le cadre du modèle standard.


Il y a toutefois une petite difficulté avec ce
scénario. Il nécessiterait sans doute que l’âge de l’univers soit un peu
plus grand que celui déduit des observations actuelles. Attention, il
ne s’agit pas du tout d’un conflit potentiel avec la théorie du Big Bang. Les succès du modèle standard à grande échelle sont en effet tels (il y a de nombreuses preuves de la théorie du Big Bang, notamment grâce aux observations du rayonnement fossile et de l’évolution chimique
des galaxies dans le temps) qu'il est inenvisageable de jeter le bébé
avec l'eau du bain: toute théorie incorporant Mond à l'échelle des
galaxies ne pourra pas ignorer ces nombreux succès du modèle
cosmologique standard. Mais peut-être n’est-il pas exclu qu’un modèle
cosmologique relativiste respectant le cadre de Mond implique
naturellement de légères modifications du modèle standard conduisant à
un allongement mineur de l’âge de l’univers observable.


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