L’étude des mouvements dynamiques des étoiles et des nuages de gaz au sein des galaxies spirales (ou galaxies à disque), par exemple par Vera Rubin et son équipe dans les années 1970, a fourni l’une des premières indications qu’une partie importante de la matière qui constitue les galaxies ne pouvait pas être observée par les télescopes. En effet, les masses combinées des étoiles, du gaz et de la poussière ne sont pas assez importantes pour expliquer la vitesse à laquelle on voit les étoiles et le gaz tourner dans les disques des galaxies, ce qui indique que les galaxies doivent aussi être composées d’une sorte de matière non ordinaire qui n’émet pas de lumière. C’est ce que nous appelons aujourd’hui la « matière noire ».
Après ces premiers travaux pionniers, l’étude dynamique des galaxies spirales a pris de l’ampleur et est devenue un domaine très actif de la recherche astronomique au cours des 40 dernières années. Grâce à ces études, nous avons maintenant une compréhension assez solide de la structure interne des galaxies spirales, de la façon dont les étoiles et les nuages de gaz se déplacent en leur sein, et de la quantité de matière noire qu’elles abritent. En fait, les télescopes modernes nous permettent de mesurer la vitesse de rotation des étoiles et du gaz dans les galaxies spirales avec une telle précision que nous savons maintenant que les disques de galaxies composés d’étoiles, de gaz et de poussière que nous pouvons observer sont noyés dans des halos sphériques de matière noire invisible dont la taille est des dizaines de fois supérieure à celle des disques de galaxies. Ces halos de matière noire sont environ ~100 fois plus massifs que les galaxies elles-mêmes, ce qui implique que la matière noire est la composante qui domine la force gravitationnelle dans les galaxies.
Cette constatation est cruciale pour comprendre l’un des faits observationnels les plus étonnants que nous connaissons sur les galaxies spirales : les relations dites de Tully-Fisher et de Fall. Il s’agit d’importantes lois d’échelle auxquelles obéissent les galaxies spirales et qui relient leur masse à la vitesse de rotation (relation de Tully-Fisher) ou au moment angulaire (relation de Fall) des étoiles élevées à une certaine puissance. Ces relations caractéristiques révèlent qu’il doit exister un mécanisme physique fondamental, impliquant la masse, la vitesse de rotation et le moment angulaire, qui guide la structure des galaxies à disque. Selon certains des derniers modèles cosmologiques de pointe sur la formation des galaxies, ces relations sont transmises par les halos de matière noire aux galaxies qui s’y forment. Par conséquent, les galaxies suivent les voies de formation des halos de matière noire et partagent leurs propriétés et leurs lois d’échelle structurelle.
Une question importante qui reste sans réponse dans ce scénario est de savoir si ces relations d’échelle sont universelles, dans le sens où elles s’appliquent aux galaxies spirales de toutes tailles et masses, ou si elles se brisent à un régime de masse spécifique. Une rupture dans les relations d’échelle est un symptôme que la physique des galaxies est en train de changer à l’échelle de masse où la rupture se produit ; inversement, si les lois d’échelle sont universelles et ininterrompues, cela signifie que la physique qui régit la formation des galaxies spirales est vraiment la même à toutes les échelles. Par conséquent, détecter ou exclure la présence d’une rupture dans les relations d’échelle est une pièce cruciale du puzzle de la formation des galaxies dans notre Univers. Bien que certains modèles de formation de galaxies prévoient qu’une rupture se produise à une échelle de masse correspondant à peu près à la masse de notre Voie lactée (~5 x 10^10 masses solaires), il n’existe pas encore de détection observationnelle claire de cette rupture.
1. Relations de Tully-Fisher pour les galaxies spirales massives. La relation Tully-Fisher stellaire est présentée à gauche et la relation Tully-Fischer baryonique à droite. Les carrés rouges correspondent aux galaxies spirales massives utilisées dans ce travail et les galaxies du catalogue SPARC (Lelli et al. 2016, AJ, 152, 157) sont représentées en cercles bleus. La ligne noire continue est le fit de toutes les galaxies de l’échantillon et la bande grise représente la dispersion 1 sigma autour du fit. Les tirets noirs représentent le fit des galaxies avec une masse stellaire plus grande que 3×10^10 masse solaire (figure à gauche) et avec une masse baryonique plus grande que 3×10^10 masse solaire (figure à droite).
Une nouvelle étude a été menée par Enrico di Teodoro et al. (2021, MNRAS, 507, 5820) précisément dans le but de discerner si les relations de Tully-Fisher (masse-vitesse) et de Fall (masse-momentum angulaire) se brisent ou non aux masses les plus élevées. Les auteurs ont recherché les galaxies à disque les plus lumineuses dans deux études portant sur de grands volumes de l’Univers proche: le Sloan Digital Sky Survey (SDSS), dans l’optique, et le 2-Micron All Sky Survey (2MASS) dans le proche infrarouge. Un catalogue complet de ces disques extrêmement massifs, appelés » super-spirales « , a été assemblé par Ogle et al. (2019, ApJS, 243, 14) et contient les luminosités et les masses de tous ces objets. Pour mesurer les vitesses de rotation et les moments angulaires, nécessaires à la construction des relations d’échelle, di Teodoro et al. ont effectué des observations de suivi de 43 de ces » super-spirales « , principalement avec le spectrographe Robert Stobie (RSS) monté sur le South African Large Telescope (SALT). Le SALT est une installation de l’Observatoire astronomique sud-africain qui fonctionne depuis Sutherland, en Afrique du Sud. Grâce aux extraordinaires spectres à longue fente obtenus avec le SALT, di Teodoro et al. ont pu mesurer avec certitude la vitesse de rotation et le moment angulaire des galaxies en détectant la raie d’émission H-alpha, à 6562,80 angströms, de l’hydrogène gazeux ionisé (à une température de ~10 000 degrés Celsius) en orbite dans les disques des galaxies. Cela leur a permis pour la première fois d’étendre les relations d’échelle dans le régime des masses extrêmement élevées, où ils n’ont trouvé aucune indication de rupture dans les lois d’échelle.
2. Relation de Fall pour les galaxies spirales massives. L’échantillon utilisé dans cette étude est représenté en carrés rouges et les galaxies du catalogue SPARC (Posti et al. 2018, A&A, 612, L6) en cercles bleus. La ligne noire continue est le fit de toutes les galaxies de l’échantillon et la bande grise représente la dispersion sigma de 0.19 dex autour du fit. Les tirets noirs représentent le fit des galaxies avec une masse stellaire plus grande que 3×10^10.5 masse solaire.
Ainsi, le principal résultat scientifique que nous pouvons tirer de cette étude est que les lois d’échelle des galaxies à disque sont universelles, elles sont valables pour toutes les échelles galactiques, et que les galaxies spirales sont des objets « autosimilaires » régis par la même loi physique. Dans ce contexte, « autosimilaire » signifie qu’une galaxie spirale géante n’est qu’une version agrandie d’une galaxie spirale naine beaucoup plus petite et que les principaux processus physiques qui les gouvernent sont les mêmes. De plus, cela suggère également que le rôle des halos de matière noire dans la transmission des lois d’échelle des galaxies à disque est similaire et ne change pas avec l’échelle de la galaxie, de naine à géante. Ceci est révélateur de la forte connexion qui existe entre les galaxies spirales et leurs halos de matière noire.
Par Lorenzo Posti, Observatoire Astronomique de Strasbourg (ObAS)
Lien vers l’article de référence: https://academic.oup.com/mnras/article/507/4/5820/6368866
