Une nouvelle étude de l’amas de la Balle remet en question l’existence de la matière noire
Image à la une : [Image composite de l’amas de la Balle montrant le gaz X en rose et la masse des lentilles gravitationnelles en bleu ; crédit : NASA/CXC/STScI/ESO]
Une nouvelle étude menée par l’Université de Bonn rouvre l’un des débats les plus controversés de la cosmologie moderne : la matière noire existe-t-elle vraiment ? En utilisant de nouvelles observations du télescope spatial James Webb, l’équipe affirme que le célèbre amas de la Balle, longtemps considéré comme la preuve observationnelle la plus solide de la matière noire, peut s’expliquer sans faire appel à cette substance insaisissable.
L’amas de la Balle, une collision colossale de deux amas de galaxies situés à environ 3,7 milliards d’années-lumière, constitue une pierre angulaire de l’hypothèse de la matière noire depuis sa découverte. Les observations ont montré que le gaz chaud X de la collision était en retard par rapport aux galaxies des amas, tandis que le signal de lentille gravitationnelle, une mesure de la masse totale, suivait les galaxies et non le gaz. Cette séparation a été interprétée comme la preuve que des halos de matière noire invisibles et sans collision entouraient les galaxies et traversaient directement la collision, tandis que le gaz était ralenti par friction.
La nouvelle étude, publiée dans Physical Review D le 1er juillet, conteste cette interprétation.
Ce que l’étude a découvert
Dirigée par Dong Zhang de l’Institut Helmholtz de radiations et de physique nucléaire de l’Université de Bonn, l’équipe a utilisé la nouvelle photométrie du JWST pour réestimer la masse baryonique totale des trois galaxies d’amas les plus brillantes au cœur de l’amas de la Balle. Plus important encore, ils ont appliqué la théorie de la fonction de masse initiale intégrée à l’échelle de la galaxie (IGIMF), qui prédit que les galaxies de type précoce contiennent une proportion plus élevée d’étoiles massives qui se sont depuis effondrées en vestiges stellaires invisibles, étoiles à neutrons et trous noirs.
Ces vestiges exercent des forces gravitationnelles identiques à ce qui est souvent attribué à la matière noire, mais ils sont constitués de matière baryonique ordinaire. En en tenant compte, l’équipe a constaté que les lentilles gravitationnelles observées peuvent s’expliquer par la dynamique newtonienne modifiée (MOND) seule, sans matière noire nécessaire.
« L’amas de la Balle est en réalité particulièrement cohérent avec le scénario MOND », déclare Zhang.
Implications pour le modèle standard
Même dans le paradigme standard de la matière noire, l’étude suggère que le contenu en matière noire déduit dans l’amas de la Balle devrait être réduit d’environ moitié. Le co-auteur Pavel Kroupa de l’Université de Bonn et de l’Université Charles de Prague a noté : « Même dans le modèle standard, qui suppose l’existence de la matière noire, sa quantité postulée devrait être considérablement réduite, d’environ la moitié. »
Le résumé de l’article indique : « Indépendamment de la validité de la MOND, il existe désormais une perspective émergente concernant les modèles de matière noire : pour rendre compte des observations, ils semblent nécessiter moins de matière noire que précédemment anticipé. »
Le débat se poursuit
L’amas de la Balle a longtemps été considéré comme le plus grand défi de la MOND. Proposée par Mordehai Milgrom il y a environ 40 ans, la MOND remplace la matière noire en modifiant la gravité à faibles accélérations. Les critiques ont soutenu que le décalage entre la masse des lentilles de l’amas de la Balle et son gaz X ne peut s’expliquer sans matière noire sans collision.
L’étude de Bonn soutient que dans le cadre de la formulation QUMOND de la MOND, une masse fantôme apparaît là où les accélérations sont faibles, concentrée près des galaxies ponctuelles plutôt que du gaz diffus, produisant naturellement le décalage observé. Combinée à la masse supplémentaire provenant des vestiges stellaires invisibles, le signal de lentille forte au cœur de l’amas est entièrement expliqué.
Les auteurs reconnaissent des réserves importantes. La viabilité physique de leur modèle dépend de la distribution spatiale et du comportement dynamique de la population de vestiges stellaires, qui n’a pas encore été établie. L’analyse se concentre également uniquement sur les régions centrales où la lentille forte opère ; la cohérence à plus grands rayons où la lentille faible domine nécessite des travaux supplémentaires.
Le débat plus large reste irrésolu. La MOND a historiquement eu du mal à expliquer les phénomènes à l’échelle cosmique, notamment le fond diffus cosmologique et la structure à grande échelle de l’univers. Néanmoins, cette étude démontre que l’amas de la Balle, longtemps présenté comme une preuve de la matière noire, n’est pas aussi définitif qu’on le pensait auparavant.
L’article, « Baryonic mass budgets in the central regions of the Bullet Cluster and their consistency with strong lensing in MOND », est publié dans Physical Review D (DOI : 10.1103/6zrp-q7c4) et comprend des co-auteurs de l’Université de Portsmouth, de l’Université Yonsei, de l’Université Charles de Prague et d’autres institutions.
Traduit par Lydie