La matière noire dans les amas globulaires
L’un des problèmes fondamentaux que pose le modèle « matière noire froide » est d’en déterminer le profil de densité au centre des galaxies. D'un côté, les observations y révèlent la présence d’un cœur de matière noire (ou « core »), c’est-à-dire une densité constante de matière noire. De l'autre, les simulations de la formation de l’Univers prédisent une pente pour le profil de matière noire qui diverge au centre (« cusp »). Ce désaccord entre observations et simulations est communément appelé le « cusp-core problem ». L’étude des objets qui orbitent dans ces galaxies, comme les amas globulaires, permet d’apporter un regard nouveau sur ce problème. En effet, le mouvement de ces groupes d’étoiles très dense est entièrement régie par le halo de matière noire de la galaxie. A l’aide de simulations numériques à haute résolution, une équipe de l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP) a ainsi montré que la présence de matière noire au sein des amas globulaires résout le « cusp-core problem » pour la galaxie naine de Fornax.
Fornax est la seule galaxie satellite de La Voie Lactée à posséder cinq amas globulaires en orbite. La dynamique stellaire prédit que le temps de chute de ces amas est bien plus petit que l’âge de l’Univers. On attendrait donc que ces objets stellaires soient de nos jours tombés au centre de Fornax. Mais ce n’est pas ce qui est observé puisque ces amas auraient eu suffisamment de temps pour tomber au centre la galaxie, or ils ne s'y trouvent pas.
On parle alors de « timing problem ». Ce problème nous conduit à penser que ces 5 amas pourraient ne pas s'être formés dans Fornax, mais y être accrétés. Étant donné que la nature exacte de ces amas est incertaine, il est tout à fait possible qu'ils se soient formés de la même manière que des galaxies naines. Comme elles, ils se seraient constitués au centre de leur propre halo de matière noire, pour ensuite être accrétés par une galaxie voisine. De plus, il est également probable que de nos jours, les amas aient perdu une grande quantité de leur matière noire en raison des effets de marées gravitationnelles induit par le potentiel galactique.
En simulant la dynamique des amas globulaires contenant de la matière noire qui sont accrétés par la galaxie naine et en suivant l’évolution du profil de densité de matière noire de Fornax, l’équipe de recherche de l’IAP a mis en évidence que le profil subissait une transition de « cusp » vers « core ».
Étant donné que la matière noire des amas globulaires est considérée dix fois plus massive que leur composante stellaire, l’interaction entre eux et la galaxie n’est plus négligeable. Cette dernière entraîne des échanges d'énergies gravitationnelles avec le halo de Fornax à travers la friction dynamique. Il en résulte une redistribution de la matière noire au sein de la galaxie, par souci de conservation de l’énergie. Cette redistribution est caractérisée par la diminution de la densité centrale de matière noire. On assiste donc à la formation d’un « cœur », c’est-à-dire une densité constante de matière noire au centre de la galaxie. Ce nouveau mécanisme basé sur la présence de matière noire dans les amas globulaires apporte une solution naturelle au « cusp-core problem » dans Fornax.
De plus, l’équipe de chercheurs soutient que ces amas ont été accrêtés récemment (≤ 3 milliard années) par Fornax. Ce scénario d’accrétion récente permet de retrouver la distribution spatiale pour les amas globulaires observés aujourd’hui et donc de résoudre également le « timing problem ».
A ce jour, on n'a pas encore détecté de matière noire dans les amas globulaires, mais les données sur ceux de la Voie Lactée que nous fournissent les relevés Gaia de l’ESA nous permettront peut-être d’en trouver une signature observationnelle.
Sources
- Pierre Boldrini, Roya Mohayaee, Joe Silk: « Embedding globular clusters in dark matter minihalos solves the cusp-core and timing problems in the Fornax dwarf galaxy. » MNRAS, 2020 (https://arxiv.org/abs/1909.07404)