La vision conventionnelle de l’évolution cosmique pourrait être remise en question par la découverte d’une immense galaxie apparemment dépourvue de matière noire. La matière noire, qui représente environ 85% de la matière de l’univers, est absente de NGC 1277, une galaxie de l’amas de galaxies de Persée. Cette galaxie, située à 240 millions d’années-lumière de la Terre, est le premier amas d’étoiles, de planètes, de poussière et de gaz de la taille de la Voie lactée à être dépourvu de matière noire.
La matière noire est invisible car elle n’interagit pas avec la lumière comme la matière ordinaire qui compose les étoiles, les planètes et nous-mêmes. Cependant, sa présence peut être déduite de ses interactions gravitationnelles. L’existence de cette substance obscure a été suggérée pour la première fois lorsque des astronomes ont observé des galaxies massives tournant si vite qu’elles se sépareraient si l’attraction gravitationnelle d’une masse invisible ne les maintenait pas ensemble. Les recherches de l’équipe sont publiées dans la revue Astronomy and Astrophysics en 2023.
Ce fait a conduit les scientifiques à émettre l’hypothèse selon laquelle toutes les grandes galaxies sont entourées d’une enveloppe de matière noire, une hypothèse devenue essentielle dans l’élaboration des théories de l’évolution des galaxies. Cependant, la découverte d’une galaxie apparemment dépourvue de matière noire remet en question cette hypothèse.
Image agrandie de la galaxie NGC 1277 prise par le télescope spatial Hubble, située près du centre de l’amas de Persée, qui compte plus de 1 000 galaxies et se trouve à 240 millions d’années-lumière de la Terre. Instituto de Astrofísica de Canarias/P. Kehusma/NASA/ESA
NGC 1277, considérée comme une relique cosmique, est unique parmi les galaxies car elle interagit très peu avec les autres galaxies environnantes. On pense que ces galaxies sont les vestiges de galaxies géantes ayant existé dans l’univers primitif. De ce fait, ces galaxies reliques jouent un rôle important dans la compréhension par les astronomes de la formation des premières galaxies.
Pour approfondir cette piste de recherche, Cameron et ses collègues ont observé la galaxie relique NGC 1277 à l’aide d’un instrument appelé spectrographe de champ intégral. Cela leur a permis de cartographier le mouvement de la galaxie, de déterminer sa masse et de déterminer sa distribution.
Cela a montré que la distribution de la masse totale de NGC 1277, qui doit inclure de la matière noire, correspond à la distribution de la masse de sa matière normale, c’est-à-dire les étoiles, la poussière, le gaz et les planètes. Cela signifie que dans le rayon de la galaxie, la teneur en matière noire ne peut excéder 5%, mais les résultats sont plus cohérents avec l’hypothèse selon laquelle il n’y a pas de matière noire du tout dans NGC 1277.
Cela est surprenant car les modèles actuellement acceptés de l’évolution cosmique, y compris le modèle standard de la cosmologie, suggèrent que NGC 1277 devrait être composé de 10 à 70 % de matière noire.
L’illustration montre une galaxie typique enveloppée d’un halo de matière noire, ainsi que NGC 1277, dépourvue de cette mystérieuse forme de matière. ESO 325-G004: NASA, ESA
Les scientifiques à l’origine de cette découverte ont plusieurs hypothèses quant à la raison pour laquelle NGC 1277 contient si peu de matière noire. Une hypothèse est que les interactions gravitationnelles avec l’environnement de l’amas de galaxies qui la contient ont conduit à l’expulsion de matière noire. Une seconde hypothèse est que la matière noire a été expulsée du système lors de la formation de la galaxie par la fusion de fragments protogalactiques, donnant naissance à la galaxie relique.
L’équipe n’est entièrement satisfaite d’aucune des explications et continuera donc à étudier NGC 1277 en utilisant le télescope William Herschel (WHT) à l’observatoire Roque de los Muchachos sur l’île canarienne de La Palma.
Si de futures études confirment que la galaxie relique est dépourvue de la forme de matière la plus mystérieuse de l’univers, les scientifiques estiment que cela ne remettra pas en cause l’existence de la matière noire. Au contraire, l’équipe estime que cela remettra en question des modèles alternatifs de la matière noire, appelés théories modifiées de la gravité.
Voir aussi... Les scientifiques tirent la sonnette d'alarme: le monde perd rapidement de l'eau douce Changements anthropiques et climatiques dans les rivières et les lacs de la Terre |
La matière noire d’une galaxie donnée peut disparaître; la loi modifiée de la gravitation universelle doit être universelle; elle ne peut souffrir d’exceptions. Par conséquent, une galaxie sans matière noire réfute ce type d’alternative à la matière noire.
De nouveaux indices sur l’évolution de l’énergie noire font partie de l’une des cartes les plus détaillées du cosmos jamais créées, basée sur les données recueillies la première année par le Dark Energy Spectroscopic Survey Instrument (DESI). Les 5 000 yeux robotisés de l’instrument captent la lumière de millions de galaxies couvrant plus d’un tiers du ciel visible depuis la Terre. Cette lumière est ensuite décomposée en un spectre de couleurs, permettant aux scientifiques de mesurer l’expansion de l’univers sur des milliards d’années en mesurant la variation de la longueur d’onde de la lumière, appelée «décalage vers le rouge».
Le «modèle standard» actuel du cosmos, de son histoire et de son évolution est appelé le modèle de matière noire froide lambda (LCDM), mais la suprématie de ce modèle, dans lequel lambda représente la constante cosmologique et l’énergie noire, pourrait désormais être sérieusement menacée.
En effet, de nouvelles observations du cosmos suggèrent que l’énergie noire, la force responsable de l’expansion toujours plus rapide de notre univers, semble s’affaiblir. Cela peut paraître peu en soi, mais cette découverte pourrait potentiellement conduire au premier changement de paradigme majeur en cosmologie depuis la découverte de l’accélération de l’expansion de l’univers il y a un peu plus de 25 ans. Elle pourrait même suggérer que notre univers finira non pas par un «Big Rip» ou un «Big Cool», mais par un «Big Crunch».
Le modèle LCDM suggère qu’immédiatement après le Big Bang, l’Univers était extrêmement dense et incroyablement chaud, mais en même temps remarquablement lisse et plus ou moins identique ou uniforme dans toutes les directions.
À mesure que l’univers s’est étendu, de légères fluctuations de densité ont commencé à se former, et ces régions denses se sont développées. Des amas de matière noire ont commencé à se condenser au fur et à mesure de l’évolution de l’univers, et les atomes nouvellement formés se sont rassemblés et ont stimulé le mouvement des molécules de gaz au sein de ces amas. En conséquence, l’univers s’est retrouvé presque entièrement rempli d’hydrogène et d’hélium (les deux éléments chimiques les plus légers et les plus simples) et de matière noire.
La combinaison d’électrons et de protons pour former les premiers atomes a soudainement donné à la lumière la capacité de voyager librement, et cette première lumière est maintenant observée sous la forme du fond diffus cosmologique (CMB), un rayonnement «fossile» qui peut nous en dire beaucoup sur l’histoire de l’univers.
Les régions à plus forte densité ont attiré du gaz et de la matière noire, formant les germes des premières galaxies du modèle LCDM, qui se sont effondrées pour former des protogalaxies. Dans ces galaxies primitives, l’hydrogène et l’hélium ont formé les premières étoiles. Finalement, les protogalaxies et les halos qui les entouraient ont fusionné pour former des galaxies toujours plus grandes.
Il est toutefois important de noter que dans ce modèle, l’énergie sombre est représentée par lambda. On suppose que lambda est constant dans le temps.
DESI a constaté que l’«équation d’état» de l’univers n’est pas cohérente avec le modèle LCDM conventionnel, mais indique plutôt que l’énergie noire évolue au fil du temps. Ces résultats ouvrent la voie à des modèles d’énergie noire variable, car ils démontrent un écart par rapport à une équation d’état constante.
Si ces nouvelles découvertes du DESI s’avèrent exactes (et elles semblent actuellement remarquablement fiables), alors la constante cosmologique pourrait ne plus être un indicateur approprié de la force mystérieuse de l’énergie noire.
En 1915, Albert Einstein a présenté ce qui est peut-être sa théorie la plus révolutionnaire, la théorie de la relativité générale, qui décrivait la gravité comme un concept découlant de la courbure de l’espace et du temps, une courbure causée par des corps dotés d’une masse.
Deux ans plus tard, en 1917, Einstein et l’astronome néerlandais Willem de Sitter démontrèrent que les équations de la relativité générale pouvaient être utilisées pour décrire l’univers, quoique de manière simplifiée. Mais il y avait un problème : l’univers décrit par les équations de la relativité générale ne décrivait pas un univers au repos. À l’époque, l’opinion dominante en physique était que l’univers était statique, sans expansion ni contraction, et Einstein était d’accord. Il ajouta donc une sorte de «facteur» à ses équations : la constante cosmologique, ou lambda.
Cela a équilibré l’univers, en ajoutant la bonne quantité de traction et de poussée pour le maintenir statique.
Environ 12 ans plus tard, en 1929, Edwin Hubble étudiait les galaxies lointaines lorsqu’il découvrit que leur lumière était étirée, ou «décalée vers le rouge». Il remarqua que plus la galaxie était éloignée, plus cet effet était important. Cela indiquait que l’univers n’était pas statique, mais en expansion. Les scientifiques passèrent les sept décennies suivantes à tenter de mesurer le taux de cette expansion, une valeur appelée «constante de Hubble».
Une photographie à longue exposition montre des filés d’étoiles au-dessus de la Terre. Si l’accélération de l’expansion de l’univers restait constante au fil des siècles, de telles images seraient impossibles. Maxim Senin
N’ayant plus besoin de décrire un univers statique, Einstein abandonna la constante cosmologique de ses équations de l’univers, qualifiant l’introduction de lambda de «sa plus grande erreur». Cependant, la constante cosmologique ne resta pas longtemps dans les oubliettes cosmiques. À la fin du XXe siècle, lambda fit un retour en force, et dans un nouveau rôle.
En 1998, deux équipes distinctes d’astronomes, observant des supernovae lointaines de type 1a et les utilisant pour mesurer les distances cosmiques, ont découvert que l’expansion de l’univers ne ralentissait pas, contrairement à ce que l’on pourrait croire. Elle s’accélérait. L’énergie noire a alors été introduite comme un indicateur de ce qui semblait être la cause de cette expansion accélérée.
Dans de nombreux modèles du cosmos, y compris le modèle populaire LCDM, l’énergie noire est représentée par une constante cosmologique sauvée, ou lambda, qui s’oppose désormais à la gravité et repousse la structure même de l’espace et du temps à un rythme toujours croissant.
Cependant, après l’introduction de la constante cosmologique comme grandeur caractérisant l’expansion accélérée de l’espace, le problème persiste. Les valeurs obtenues grâce à l’observation de supernovae lointaines et celles prédites par les théories de la physique quantique continuent de diverger considérablement, allant jusqu’à 10 puissance 121 (un avec 121 zéros).
Illustration de la première année de données de l’instrument spectroscopique d’énergie sombre (DESI), montrant une section de la carte tridimensionnelle plus vaste que DESI crée au cours de son étude quinquennale. DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P.Horálek/R.Proctor
Il existe un scénario dans lequel, si l’énergie noire est une constante cosmologique immuable, sur des milliards d’années, toutes les galaxies s’éloigneront tellement les unes des autres que le ciel nocturne au-dessus de la Terre deviendra vide. L’univers pourrait alors se transformer en un cosmos froid composé de galaxies mortes largement dispersées, dans le scénario dit du «Grand Refroidissement». Alternativement, une expansion accélérée et continue pourrait provoquer la rupture de l’espace-temps lui-même, dans un scénario connu sous le nom de «Grande Déchirure».
Voir aussi... |
Mais la nouvelle carte DESI pourrait indiquer un destin cosmique différent, dans lequel l’univers s’effondrerait à nouveau, atteignant l’état chaud et dense observé immédiatement après le Big Bang. Si les résultats de la première année de DESI sont exacts, l’expansion accélérée de l’univers s’arrêterait et finirait par s’inverser, et l’univers pourrait commencer à se contracter sous l’effet de la gravité. Cela pourrait finalement conduire à un effondrement de l’univers dans un scénario de «Big Crunch».
Au cours des deuxième et troisième années de fonctionnement du DESI, les scientifiques étudieront les distorsions de l’espace associées au décalage vers le rouge.
Des indices sur l’évolution de l’énergie noire, qui représente environ 70% de la masse et de l’énergie de l’univers, ont été obtenus pour la première fois en 2024 par l’instrument spectroscopique d’énergie noire (DESI). Cette découverte a été choquante, car la meilleure description que nous ayons du cosmos, le modèle standard de la cosmologie, ou matière noire froide lambda (LCDM), prédit que l’énergie noire devrait être constante dans le temps.
De nouveaux résultats de 2025, fournis par le Supernova Cosmology Project et incluant 2 087 étoiles vampires détonantes, également appelées supernovae standardisées de type 1a, fournissent une autre preuve que l’énergie noire n’est pas constante et que le LCDM pourrait devoir être révisé.
Si l’énergie noire s’affaiblit, cela aura des implications sur notre compréhension de la fin du cosmos.
Supernova 1994D près de la galaxie NGC 4526. NASA, ESA, équipe du projet Hubble Key et équipe de recherche de supernova High-Z.
Les supernovae de type 1a sont des restes stellaires appelés naines blanches, laissés par la mort d’étoiles de la taille du Soleil. En étroites alliances binaires avec d’autres étoiles, ces corps stellaires peuvent voler de la matière tel un vampire cosmique.
Cette matière s’accumule sur la naine blanche jusqu’à ce que sa masse dépasse la limite dite de Chandrasekhar, qui est d’environ 1,4 masse solaire. Dépasser cette limite signifie que la naine blanche peut se transformer en supernova.
L’explosion qui en résulte produit des supernovae de type 1a, qui constituent un outil de mesure précieux pour les astronomes car leur émission lumineuse est constante d’un événement à l’autre. En comparant les supernovae de type 1a à différentes distances et en observant le décalage vers le rouge de leur lumière dû à l’expansion de l’Univers, on peut obtenir une valeur du taux d’expansion de l’Univers (la constante de Hubble). Cette valeur permet de comprendre l’influence de l’énergie noire sur le cosmos à différentes époques.
Cette histoire est importante car c’est l’étude de 50 supernovae de type 1a en 1998 qui a conduit les astronomes à soupçonner l’existence de l’énergie noire.
Supernova de type 1a SN 2011fe, découverte dans la galaxie du Moulinet. BJ Fulton/Palomar Transient Factory
Depuis, les astronomes ont observé 2 000 autres supernovae de type 1a à l’aide de différents télescopes. Le nouveau projet Union3 élimine les différences entre les observations causées par les différents instruments astronomiques, comme la dérive des filtres des télescopes au fil du temps, et compile le plus grand ensemble de données standardisées de supernovae de type 1a jamais observé.
Union3 contient des données sur 2 087 supernovae provenant de 24 ensembles de données différents couvrant 7 milliards d’années de temps cosmique. Elle est basée sur les 557 supernovae répertoriées dans l’ensemble de données original d’Union2.
L’analyse d’Union3 semble confirmer les conclusions du DESI selon lesquelles l’énergie noire s’affaiblit avec le temps, mais les résultats ne sont pas encore concluants.
L’ensemble de données sur les supernovae de type 1a sera enrichi de trois autres en 2026. Deux d’entre elles contiendront des données sur des supernovae à fort décalage vers le rouge observées à grande distance, et une autre sur des supernovae plus locales à faible décalage vers le rouge. Cela devrait permettre de mieux calibrer les nouveaux résultats, selon les chercheurs.
| Voir aussi... Les scientifiques tirent la sonnette d'alarme: le monde perd rapidement de l'eau douce Changements anthropiques et climatiques dans les rivières et les lacs de la Terre |
