La
matière noire dans les galaxies
Dès les années
1930, certaines observations ont montré que la matière visible faite d’étoiles,
de gaz et de poussières, ne représente qu’une
petite fraction de la masse présente dans les galaxies, donc l’Univers.
La courbe de
rotation des galaxies spirales
La manifestation
la plus apparente de la présence d’une masse cachée se produit lorsque l’on
étudie la répartition de la matière au sein d’une galaxie spirale. Il existe en effet
un moyen relativement simple de connaître la distribution de masse dans une
telle galaxie. Il consiste à étudier soigneusement le mouvement des étoiles et
du gaz en son sein.
Rappelons que
dans le système solaire, les planètes se déplacent en obéissant aux lois de Kepler. En particulier, la vitesse d’une planète
sur son orbite est inversement proportionnelle à sa distance au centre, un
résultat qui est vrai dans tout système dominé par un corps central comme le
Soleil. Ce principe peut se généraliser à n’importe quel ensemble, en
particulier à une galaxie spirale. La façon dont la vitesse des étoiles et du
gaz varie avec la distance au centre – la courbe de rotation – peut nous
permettre de déterminer la répartition de la masse à l’intérieur de cette
galaxie.
Les astronomes
pensaient savoir à quoi s’attendre lorsqu’ils commencèrent à appliquer à cette
méthode. La vitesse des étoiles et du gaz devait être faible au centre et
augmenter avec la distance. En dehors de la galaxie, la courbe de rotation
devait s’inverser et la vitesse chuter. En effet, le gaz à l’extérieur de la
galaxie peut être considéré comme en orbite autour d’un corps central et
devrait donc suivre une loi similaire à celle qui régit la vitesse des planètes
du système solaire.
Des courbes
plates
La difficulté
observationnelle majeure résidait dans le fait que la quantité de matière en
dehors des limites visibles d’une galaxie est très faible. Il s’agit surtout de
gaz hydrogène qui s’étend deux ou trois fois plus loin que les limites visibles
de la galaxie. Pour pouvoir étudier ce gaz, il fallut avoir recours, comme dans
le cas de l’hydrogène interstellaire, à des observations
dans les ondes radio à une longueur d’onde de 21 centimètres. Des observations
à l’aide de puissants radiotélescopes commencèrent et les
premiers résultats furent publiés à la fin des années 1970.
Les résultats
furent surprenants. Les courbes de rotation ne chutaient pas à l’extérieur des
galaxies mais restaient obstinément plates. La vitesse du gaz restait constante
au lieu de diminuer. Ceci impliquait que la matière des galaxies s’étendait
bien au-delà des limites visibles. Chaque galaxie devait être entourée d’un
halo de matière invisible, dont la masse devait être plusieurs fois supérieure
à celle de la partie visible.
Ces résultats
mettaient en évidence que l’essentiel de la masse des galaxies, donc de la
matière de l’Univers, nous est invisible, d’où le nom de matière noire.
Ces observations
n’étaient qu’une confirmation pour toutes les galaxies d’une anomalie déjà
détectée en 1932 par l’astronome néerlandais Jan Oort. Celui-ci avait
remarqué que le mouvement des étoiles dans le voisinage de notre Voie Lactée était
plus rapide que prévu, et avait donc suggéré la présence d’une grande
quantité de matière invisible dans la Galaxie.
Le cas des
galaxies elliptiques
Les galaxies
spirales ne sont pas les seules à être immergées dans un halo invisible. Comme
les galaxies elliptiques ne
présentent pas de rotation globale, la méthode ci-dessus ne s’applique pas. Il
est cependant possible de s’appuyer sur le mouvement aléatoire des étoiles en
leur sein.
Ces mouvements
aléatoires nous fournissent un moyen de déterminer la répartition de masse dans
l’ensemble. Par exemple, plus une galaxie elliptique est massive, plus sa force
de gravité est puissante, donc plus les étoiles doivent bouger vite pour ne pas
tomber vers le centre. De façon plus générale, l’étude de l’agitation stellaire
en fonction de la distance au centre nous permet de calculer la répartition de
matière.
Cette méthode a
été appliquée à plusieurs galaxies elliptiques et a montré que la matière était
agitée même au-delà de leurs limites visibles, ce qui confirme l’existence d’un
halo massif de matière noire autour de ce type de galaxies.
Si de la matière
noire est présente autour des galaxies, qu’en est-il de l’espace intergalactique ?
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