La Voie lactée a-t-elle perdu les trois quarts de sa masse ?

Le satellite Gaia a mesuré les positions et les vitesses d’un grand nombre d’étoiles appartenant au disque de notre galaxie. Pour la première fois, on constate une décroissance des vitesses orbitales en fonction de la distance au centre galactique dans la région du halo sombre, ce qui implique une quantité de matière sombre (aussi appelée matière noire) beaucoup plus faible que ce qui était admis jusque-là.

Notre galaxie, classiquement appelée la Voie lactée, est formée d’une multitude d’étoiles, plus de cent milliards, que notre œil ne peut pas distinguer d’où son apparence « laiteuse ». C’est une grande galaxie spirale et la majorité des étoiles, en particulier notre Soleil, se répartissent dans un disque de près de 100 000 années-lumière de diamètre. Mais il y a beaucoup plus dans la galaxie.

Tout d’abord il existe des nuages de gaz où se formeront les nouvelles étoiles ainsi que des poussières. De plus, il faut aussi ajouter la très énigmatique masse manquante ou sombre qu’on retrouve à toutes les échelles de l’Univers.

L’observation du fond diffus cosmologique (en anglais Cosmic Microwave Background, CMB) apporte des contraintes physiques sur la présence de matière sombre dans l’Univers. La collaboration Planck fit une mesure précise de ce fond, qui a été comparé à un ensemble de données pour en faire un modèle très précis. La conclusion est que seulement 5 % du contenu de l’Univers est constitué de matière ordinaire, les 95 % inconnus se répartissant entre deux composantes invisibles : 25 % sous forme de matière sombre et 70 % d’énergie sombre encore plus mystérieuse.

La matière sombre est une composante insensible à toute interaction sauf la gravitation. Elle n’émet aucun rayonnement et n’interagit avec le reste de la matière que par les effets de sa masse.

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Les courbes astronomiques de rotation

Au niveau de la formation des galaxies, ce serait la masse sombre, qui n’étant affectée que par la gravitation, s’est structurée en premier dans ce qu’on appelle le halo sombre, plus ou moins sphérique, dont les dimensions dépassent de beaucoup celles de la masse visible. Cette dernière s’est accumulée par la suite dans ces halos de matière sombre.

Cette hypothèse a été confirmée, dans les années 1970, par l’astronome américaine Vera Rubin, et l’astronome franco-néerlandais Albert Bosma grâce à la mesure des courbes de rotation d’étoiles ou de gaz froid qui orbitent autour du centre. Ces courbes montrent la variation de la vitesse de rotation en fonction du rayon de l’orbite. Notons que, dans le disque, les orbites sont quasi circulaires. Un exemple typique est donné dans la figure ci-dessous.

On y voit que les étoiles visibles se répartissent dans une région concentrée et leur vitesse de rotation décroît rapidement dès 30 000 années-lumière, en accord avec la gravitation de Newton.

C’est une vérification de la deuxième loi de Kepler : les vitesses de rotation décroissent comme l’inverse de la racine carrée de la distance au centre d’attraction. Cette loi se vérifie déjà dans le cas des planètes qui tournent de moins en moins rapidement à mesure qu’elles sont plus éloignées du Soleil. Mais si l’on examine la galaxie dans son ensemble, la masse sombre donne une composante qui s’étend bien au-delà. Les courbes de rotation semblent plates, on ne constate pas de décroissance de la vitesse jusqu’à des distances approchant 100 000 années-lumière.

Les vitesses de rotation se mesurent par l’effet Doppler qui se traduit par un décalage du rayonnement des objets examinés vers les fréquences basses (le rouge pour le spectre visible). Pour la Voie lactée, notre Soleil est à l’intérieur du disque et c’est un grand défi d’analyser des mouvements d’étoiles pour lesquels les lignes de visée sont transverses et changeantes. C’est ce qu’a su résoudre Gaia, un satellite lancé fin 2013 par l’Agence spatiale européenne (acronyme anglais, ESA).

Les données de Gaia

Gaia est un satellite astrométrique, c’est-à-dire qu’il mesure les mouvements dans le ciel de plus d’un milliard d’étoiles en les observant à diverses époques. Près de 33 millions d’étoiles ont été aussi observées en spectroscopie pour mesurer leurs vitesses radiales, c’est-à-dire leurs mouvements dans notre direction. Avec deux vitesses dans le plan du ciel et la vitesse radiale, cela donne en trois dimensions les vitesses et les positions de 1,8 million d’étoiles du disque galactique.

Connaître les mouvements dans toutes les directions apporte une mesure beaucoup plus précise de la courbe de rotation caractérisant notre galaxie.

Le résultat de Gaia est donné sur la figure ci-dessous. On y voit une décroissance qui suit la loi de Kepler, depuis le bord du disque visible à environ 50 000 années-lumière jusqu’à 80 000 années-lumière. C’est la première fois que l’on détecte un tel déclin képlérien pour une grande galaxie spirale.

Avec ce profil mesuré, on peut déduire une masse totale de la galaxie d’environ 200 milliards de masses solaires, avec une incertitude de 10 %. La masse de la Voie lactée était auparavant estimée à 1 000 milliards de masses solaires, cinq fois plus.

Avec une masse de matière ordinaire (étoiles et gaz) de près de 60 milliards de masses solaires, le rapport masse invisible/masse ordinaire est à peine supérieure à 2, très inférieur à ce qui est connu pour les autres galaxies spirales où on trouve un rapport entre 10 et 20. Ceci est à comparer avec le rapport 5, indiqué en préambule, mesuré pour l’Univers global à l’aide du fond cosmologique.

Pourquoi notre galaxie aurait-elle une dynamique différente des autres galaxies spirales ? Les galaxies spirales ont une histoire compliquée. On a d’abord pensé qu’elles se formaient lors d’un effondrement primordial aux premières époques de l’Univers. On sait depuis les années 2010 que les galaxies actuelles n’ont pas pour origine la première structuration de la matière, mais qu’elles découlent d’une série de collisions entre galaxies plus jeunes, capables de former les grands disques spiraux observés.

La dynamique d’aujourd’hui dépend donc de l’histoire de ces collisions. Or, notre galaxie a connu une histoire relativement calme avec une grande collision il y a 9 milliards à 10 milliards d’années. Ceci explique que le disque externe, dans lequel les étoiles suivent des orbites quasi circulaires, soit à l’équilibre. Pour la grande majorité des galaxies spirales, la dernière collision est advenue beaucoup plus tardivement, il y a seulement 6 milliards d’années.

Finalement, on peut dire que non seulement la galaxie n’a pas perdu les trois quarts de sa masse, mais la nouvelle évaluation de la matière sombre présente donne un résultat qui remet en question certaines certitudes cosmologiques. La quantité locale de masse sombre s’avère très inférieure à ce qu’on trouve à d’autres échelles de l’Univers, peut-être du fait de l’histoire spéciale de notre galaxie.

Cela résonne avec un épisode du règne de Louis XIV. Il demanda à ses astronomes une nouvelle cartographie du pays à partir de données astronomiques, suivant une recette imaginée par Galilée. La méthode était beaucoup plus précise que celle fournie par les arpenteurs, mais la carte ainsi obtenue se révéla très surprenante. Elle montra un rétrécissement notable du royaume sur le flanc de la côte ouest et le roi, irrité, aurait déclaré : « Mes astronomes ont fait perdre à la France plus de territoires que tout ce qu’avaient gagné mes militaires. »

Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.