L’Univers est composé à 81 % de matière noire, différente de la matière visible ordinaire formée par les atomes.
Invisible, la matière noire se manifeste essentiellement à travers l’action de la gravitation ; elle est l’une des composantes essentielles des galaxies.
La part de la matière noire dans la masse totale des galaxies varie suivant leur taille : de 95% pour les grandes galaxies diluées (spirales, elliptiques et autres) jusqu’à 99,99% pour les galaxies naines compactes.
Dans de telles proportions, matière noire et gravitation jouent un rôle déterminant dans la formation et la structuration des galaxies.
À l’aide d’une théorie faisant intervenir ces deux composantes, une équipe scientifique européenne, incluant une scientifique de l’Observatoire de Paris, est parvenue à reproduire les principales propriétés observées des galaxies, à savoir leur vitesse circulaire, les distributions de leur densité et les relations entre leurs masses, tailles et vitesses.
De la matière noire tiède
Cette nouvelle approche théorique se base sur l’existence supposée d’une matière noire, dite « tiède », par opposition à la matière noire dite « froide ». La matière noire « tiède » est composée de particules de masse à l’échelle du millier d’électrons Volts (kilo eV ou keV, par équivalence 10-33 kg ; un électron a une masse de 511 keV). Dans la matière noire « froide », les particules sont beaucoup plus lourdes et lentes.
Les travaux s’appuient sur les propriétés microscopiques des particules de la matière noire tiède, autrement dit sur leurs propriétés quantiques (comme le spin et la statistique associés aux particules) : une pression répulsive est générée, agissant contre la pression attractive de la gravité.
Pour ces travaux, dix ensembles différents et indépendants de données de galaxies ont été utilisés avec, pour chaque ensemble, des masses allant de 5 × 109 à 5 × 1011 masses solaires.
Les vitesses circulaires de galaxies (courbes de rotation) et les distributions de densité obtenues sont conformes à celles observées. Et fait remarquable : les vitesses circulaires théoriques normalisées ainsi que les profils de densité sont universels : ils sont les mêmes pour toutes les galaxies de différents types, tailles et masses.
Les galaxies naines compactes sont ainsi proches du gaz très dense (gaz de Fermi ou gaz de fermions dégénéré), tandis que les grandes galaxies et les intermédiaires (spirales, elliptiques et autres) sont proches du gaz classique dilué (connu sous le nom de Boltzmann).
Ces travaux confirment également le peu de correction que pourrait provoquer la matière baryonique (la matière « ordinaire »), fait cohérent au vu de la faible fraction (au maximum 5%) qu’elle représente au sein des galaxies.
Cette nouvelle approche théorique de la structure des galaxies réunit la gravitation et les propriétés quantiques de la matière noire. Elle trouve son pendant dans l’approche statistique utilisée pour les atomes (connue sous l’appellation de « Thomas-Fermi »), en faisant l’analogie de la gravitation avec le potentiel électrique ; en d’autres termes : « Newton, Fermi et Dirac se rencontrent dans les galaxies à travers la matière noire » souligne Norma Sanchez, l’une des auteurs principales de l’étude.
Reference
- "Observational rotation curves and density profiles versus the Thomas-Fermi galaxy structure theory", H. J. de Vega ; P. Salucci ; N. G. Sanchez Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 442 (2) : 2717-2727 (2014)