Une galaxie qui n'existe presque pas

Dans la vaste étendue de l'amas de galaxies de Perseus, à environ 300 millions d'années-lumière de la Terre, les astronomes ont identifié l'un des objets les plus étranges de l'univers connu. Nommée CDG-2, cette galaxie est si faible qu'elle frôle l'invisibilité, lui valant le surnom évocateur de galaxie fantôme. Ce qui rend CDG-2 extraordinaire n'est pas ce qu'elle contient mais ce qui lui manque : la matière visible. Environ 99% de la masse totale de la galaxie est constituée de dark matter, la substance mystérieuse qui interagit avec la gravité mais ne produit pas de lumière.

La découverte, effectuée à l'aide du Hubble Space Telescope, représente une avancée significative dans la capacité des astronomes à détecter les objets les plus insaisissables de l'univers. CDG-2 est classée comme une galaxie de faible luminosité de surface, une catégorie d'objets si faibles qu'ils produisent à peine des quantités détectables de lumière sur toute leur surface. Beaucoup de ces galaxies existent probablement dans tout le cosmos mais sont restées cachées simplement parce que nos instruments et méthodes de détection n'étaient pas assez sensibles pour les trouver.

Une méthode de détection ingénieuse

Trouver une galaxie qui produit presque pas de lumière nécessitait une pensée créative. L'équipe de recherche n'a pas découvert CDG-2 en cherchant la lueur diffuse de la lumière stellaire qui caractérise la plupart des découvertes de galaxies. Au lieu de cela, ils ont employé une approche innovante : chercher des groupements serrés de globular clusters.

Globular clusters sont des collections denses et sphériques d'étoiles, contenant généralement des centaines de milliers à des millions d'étoiles comprimées dans un volume relativement compact. Ces anciens rassemblements stellaires sont parmi les structures les plus anciennes de l'univers et se trouvent couramment en orbite autour de galaxies. L'idée clé était que les globular clusters, malgré la faiblesse de leur galaxie hôte, seraient toujours individuellement détectables par l'optique précise du Hubble.

Lorsque les chercheurs ont identifié un groupement suspect de quatre globular clusters qui semblaient être associés spatialement, ils ont enquêté plus avant et découvert la galaxie sous-jacente extrêmement faible. Les quatre globular clusters représentent remarquablement 16% de toute la lumière visible émise par l'ensemble du système CDG-2, soulignant combien peu de matière luminneuse ordinaire la galaxie contient.

La domination de la dark matter

Tandis que toutes les galaxies contiennent un peu de dark matter, la proportion dans CDG-2 est extrême. Dans une galaxie typique comme la Milky Way, la dark matter représente environ 85 à 90% de la masse totale. La matière visible, y compris les étoiles, le gaz, la poussière et les planètes, représente les 10 à 15% restants. Dans CDG-2, la matière visible ne constitue qu'environ 1% de la masse totale, ce qui en ferait l'un des systèmes les plus dominés par la dark matter jamais observés.

Cela soulève des questions fondamentales sur la formation et l'évolution des galaxies. Comment une galaxie se forme-t-elle avec si peu de matière ordinaire ? Quels processus physiques pourraient dépouiller pratiquement tout le gaz et les étoiles tout en laissant intacte la couronne de dark matter ?

Les chercheurs pensent que la réponse se trouve dans l'environnement de CDG-2. L'amas de Perseus est l'un des amas de galaxies les plus massifs et les plus denses de l'univers proche, contenant des milliers de galaxies liées gravitationnellement ensemble. Dans de tels environnements surpeuplés, les galaxies interagissent fréquemment les unes avec les autres et avec le gaz chaud intracluster qui remplit l'espace entre elles.

Ces interactions peuvent modifier radicalement la composition d'une galaxie par plusieurs mécanismes :

  • Le ram pressure stripping se produit lorsqu'une galaxie se déplace à travers le gaz chaud intracluster, qui agit comme un vent puissant qui souffle l'approvisionnement en gaz de la galaxie. Sans gaz, la galaxie ne peut pas former de nouvelles étoiles
  • Les forces tidal gravitationnelles des galaxies massives proches peuvent physiquement arracher les étoiles et le gaz d'une galaxie plus petite, les redistribuant dans le milieu intergalactique
  • Le harcèlement par des rencontres rapprochées répétées avec d'autres galaxies chauffe et expulse progressivement la matière de la galaxie au fil de milliards d'années

Les chercheurs ont conclu que la majeure partie du gaz d'hydrogène de CDG-2, la matière première nécessaire à la formation d'étoiles, a probablement été arrachée par les interactions gravitationnelles avec d'autres galaxies dans l'amas dense de Perseus. Au fil de milliards d'années, la galaxie a essentiellement été vidée de sa matière visible tandis que sa couronne de dark matter, qui est beaucoup plus étendue et gravitationnellement plus robuste, est restée largement intacte.

Ce que CDG-2 nous dit sur la dark matter

L'existence de CDG-2 fournit des contraintes précieuses sur la nature de la dark matter elle-même. Différents modèles théoriques de dark matter prédisent différentes distributions et densités de dark matter dans les structures à l'échelle galactique. Un objet composé presque entièrement de dark matter, avec des contributions minimales et confuses de matière baryonic (ordinaire), offre un cas de test inhabituellement net pour ces modèles.

Si la dark matter se comportait comme le prédisait le modèle standard cold dark matter, les galaxies comme CDG-2 devraient présenter des caractéristiques spécifiques en termes de distribution de masse, de taille et d'influence gravitationnelle sur les objets environnants. Les écarts par rapport à ces prédictions pourraient pointer vers des modèles alternatifs de dark matter, y compris les théories warm dark matter ou self-interacting dark matter.

CDG-2 contribue également au débat continu sur le soi-disant problème des satellites manquants. Les modèles cosmologiques standard prédisent que les grands amas de galaxies devraient contenir beaucoup plus de petites structures dominées par la dark matter que ce que les astronomes ont observé. Si beaucoup de ces structures prédites sont des galaxies fantômes similaires à CDG-2, trop faibles pour être détectées par des méthodes conventionnelles, alors la discordance entre la théorie et l'observation pourrait être plus petite qu'on ne l'a cru auparavant.

Une nouvelle approche pour trouver les galaxies cachées

La technique de détection utilisée pour trouver CDG-2 a des implications qui vont bien au-delà de cette seule découverte. En démontrant que les globular clusters peuvent servir de marqueurs fiables pour identifier les galaxies ultra faibles, l'équipe de recherche a fourni à la communauté astronomique une nouvelle stratégie de recherche.

Globular clusters sont suffisamment brillants pour être détectés à des distances considérables, même lorsque la galaxie qu'ils orbite est trop faible pour être vue directement. Les relevés systématiques des populations de globular clusters dans les amas de galaxies pourraient potentiellement révéler une grande population de galaxies fantômes qui se sont cachées à la vue, négligées par les relevés qui dépendent de la détection de la lumière stellaire diffuse.

Les observations futures avec le James Webb Space Telescope, qui a une plus grande sensibilité aux longueurs d'onde infrarouges, pourraient étendre cette recherche à des objets encore plus faibles et plus lointains. La combinaison de l'imagerie optique précise du Hubble et des capacités infrarouges du JWST fournit aux astronomes une boîte à outils puissante pour cartographier les structures cachées de l'univers.

Implications pour la cosmologie

La découverte de CDG-2 ajoute une autre pièce au puzzle complexe de la façon dont l'univers est structuré à ses plus grandes échelles. La dark matter représente environ 27% du contenu total en masse-énergie de l'univers, mais elle reste l'un des composants les moins compris du cosmos. Chaque nouvelle observation qui contraint ses propriétés et son comportement rapproche progressivement les scientifiques de la compréhension de ce que la dark matter est réellement.

Les galaxies fantômes comme CDG-2 peuvent être beaucoup plus communes que ne le suggèrent les relevés actuels. Si cela s'avère être le cas, cela signifierait qu'une fraction importante des structures galactiques de l'univers est essentiellement invisible, détectable uniquement par leurs effets gravitationnels et la présence occasionnelle de globular clusters s'accrochant à leurs couronnes de dark matter. L'univers pourrait être considérablement plus peuplé de galaxies que ne l'indique le recensement visible, avec la majeure partie de son contenu galactique enveloppé d'obscurité.

Cet article est basé sur les reportages de Science Daily. Lire l'article original.