Il y a trois ans, Filippo Fraternali et ses collègues ont repéré une demi-douzaine de galaxies mystérieusement diffuses, qui ressemblaient à des villes tentaculaires d’étoiles et de gaz. Mais contrairement à presque toutes les autres galaxies jamais vues, y compris notre propre Voie lactée, elles ne semblaient pas être entourées d’énormes masses de matière noire, qui maintiendraient normalement ces métropoles stellaires ensemble avec leur gravité. Les scientifiques en ont choisi une sur laquelle zoomer, une galaxie de taille modeste à environ 250 000 années-lumière, et ils ont pointé vers elle les 27 antennes du radiotélescope du Very Large Array au Nouveau-Mexique.
Après avoir rassemblé 40 heures de données, ils ont cartographié les étoiles et le gaz et ont confirmé ce que les instantanés précédents avaient laissé entendre : Fraternali, astronome à l’Institut d’astronomie Kapteyn de l’Université de Groningue aux Pays-Bas. Si l’équipe ou ses concurrents découvrent d’autres galaxies de ce type, cela pourrait constituer un défi pour la vision des scientifiques de la matière noire, la perspective dominante sur le terrain depuis au moins 20 ans. Fraternali et son équipe ont publié leurs conclusions en décembre dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
Sur la base de décennies d’observations au télescope et de simulations informatiques, les scientifiques en sont venus à considérer la matière noire comme le squelette caché du cosmos ; ses « joints » sont des amas massifs de particules invisibles qui abritent des galaxies grandes et petites. Mais Fraternali n’est pas le premier à entrevoir une exception à cette règle. Il y a quelques années, Pieter van Dokkum, astronome à Yale, et ses collègues ont découvert des galaxies similaires avec le télescope Hubble qui semblaient également manquer de matière noire. « Ces galaxies que nous avons trouvées en 2018, elles ont créé beaucoup de controverses, de discussions et de travaux de suivi car elles étaient inattendues et difficiles à expliquer », a déclaré van Dokkum.
Ces autres galaxies vivaient dans un environnement surpeuplé, où de plus grandes galaxies voisines volaient fréquemment, entraînant peut-être avec elles la matière noire. En revanche, la galaxie de Fraternali est assez isolée, sans voisins aussi gênants, donc sa pénurie de matière noire ne peut pas être expliquée de cette façon. « Cela pourrait être très important », a déclaré van Dokkum. « Comment réunir les étoiles et le gaz à cet endroit sans l’aide de la matière noire ? »
Ces objets étranges sont désormais appelés « galaxies ultra-diffuses ». Ce sont des valeurs aberrantes extrêmes : en termes de masse, elles sont minuscules, mais elles sont réparties sur de vastes distances. Certaines sont aussi grandes que la Voie lactée, mais avec seulement un centième autant d’étoiles, voire moins. Ils sont si proches d’être transparents qu’ils sont difficiles à espionner dans le ciel nocturne. « Ils sont légèrement plus faibles au centre, ils sont donc difficiles à détecter. Maintenant, avec de meilleurs télescopes et des observations plus approfondies, ils sont devenus plus connus », explique Mireia Montes, astronome au Space Telescope Science Institute de Baltimore et experte de ces galaxies.
À partir des années 1960, l’astronome américaine Vera Rubin et d’autres ont révélé pour la première fois l’existence probable d’une matière invisible ou « sombre », en mesurant la vitesse à laquelle les étoiles des galaxies tournent autour du centre, montrant que les étoiles intérieures orbitent à des vitesses différentes de celles extérieures. Sur la base de la rotation de ces étoiles, les scientifiques ont calculé la masse que la galaxie doit avoir pour les maintenir constamment en orbite, plutôt que d’être projetée dans l’espace. Pour de nombreuses galaxies, cette masse était plusieurs fois plus grande que celle de toutes les étoiles additionnées. Les scientifiques ont résolu le problème en déduisant la présence d’une sorte de matière noire, qui n’émet ni ne réfléchit la lumière, et qui doit constituer le reste de la masse qui maintient la galaxie ensemble.