Le journal du cnrs numéro 228/229 Janvier février 2009 titre : Univers, les mystères des origines

Les premiers pas des galaxies

Quelques centaines de milliards d'étoiles, une importante masse de gaz, le tout saupoudré de poussières : voilà une galaxie, un de ces « îlots » où se concentre la matière visible de l'Univers. Pour reconstituer leur évolution et leur origine, les astronomes comptent sur la lumière, puisque dans l'Univers, âgé d'environ 14 milliards d'années, le rayonnement qui arrive de loin nous informe sur le passé. « Or, plus on observe au loin, et moins les galaxies ressemblent à la nôtre », explique Pierre-Alain Duc, du laboratoire AIM. Loin très loin, à la fois en distance et dans le temps, à une époque où l'Univers n'avait qu'un ou deux milliards d'années, et où les observations sont encore trop peu nombreuses, se bousculeraient des galaxies naines bleues, des petites structures riches en étoiles chaudes contenant beaucoup de gaz. Puis, un peu plus près de nous, lorsque l'Univers était deux fois plus jeune qu'aujourd'hui, les galaxies présentent des formes irrégulières et ne sont pas regroupées. Encore plus près de notre Voie lactée, elles se rassemblent en amas qui peuvent contenir parfois jusqu'à un millier de ces structures. Au sein de ces amas, s'attirent et se stabilisent mutuellement une majorité de galaxies spirales, de structures complexes et évoluées avec un renflement central – appelé le bulbe – et des bras qui s'étendent à travers l'espace.

Petit à petit

« Cela traduit le modèle d'évolution générale de l'Univers, reprend Pierre-Alain Duc. Les objets élaborés d'aujourd'hui comme les spirales regroupées en amas sont le résultat de fusions de galaxies isolées et plus petites qui sont nées peu de temps après le Big Bang. » Ce modèle d'évolution – appelé hiérarchique – explique que dans l'Univers, sous l'effet de la gravité exercée par la matière, les petites structures fusionnent petit à petit pour en former de plus grosses et plus élaborées. Le modèle hiérarchique, qui décrit l'histoire des galaxies dans les grandes lignes, ne rend cependant pas compte de certaines observations : par exemple, pourquoi trouve-t-on quelques galaxies spirales – qui sont, on l'a vu, des structures très évoluées – dans la prime enfance de l'Univers, à quelques milliards d'années après le Big Bang ? Cette énigme parmi d'autres semble indiquer que le modèle hiérarchique ne peut tout expliquer. « Nous pensons aujourd'hui qu'un autre phénomène vient compléter l'évolution hiérarchique : c'est le rôle joué par le gaz très ténu qui se trouve entre les galaxies », explique Pierre-Alain Duc. Les petites structures déjà formées attirent par gravité ce gaz primordial très dilué. Cette accrétion accélère leur évolution. Ainsi, dès la petite enfance de l'Univers, les collisions et les interactions commencent et forment parfois des objets massifs comme des noyaux actifs de galaxies (AGN). Coalescence des petites structures, attraction du gaz intergalactique : à travers ces deux processus, c'est la gravité qui mène la danse. Elle est exercée par les étoiles et le gaz… Mais pas seulement. Car, selon les théoriciens, l'ensemble de cette matière visible ne suffirait pas à assurer la cohésion de ces structures. C'est là qu'intervient la célèbre « matière noire ». L'énoncé du problème date des années 1970, où l'Américaine Vera Rubin, après avoir étudié 200 galaxies, a constaté que la vitesse des étoiles périphériques était beaucoup trop grande compte tenu de toute la masse visible dans les régions centrales : ces étoiles devraient donc logiquement s'échapper des galaxies. Il devrait donc exister une matière cachée qui les retient par sa force gravitationnelle. « Nous pouvons faire le même constat pour des structures plus grandes, par exemple au niveau des amas de galaxies, explique Françoise Combes, du Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique (Lerma) (Laboratoire CNRS Observatoire de Paris Université Cergy-Pontoise Université Paris 6 École normale supérieure Paris). Cette “matière cachée”, dite noire, constituerait 26,6 % du contenu de l'Univers. »

Quand la matière se cache

Pour résoudre le problème théorique posé par cette matière noire introuvable, une solution a été proposée. Mais celle-ci implique d'adapter la loi de Newton. Et c'est ce que fait l'hypothèse proposée par l'Israélien Mordehai Millgrom, de l'Institut Weizmann, avec la théorie Mond (pour Modified Newton Dynamic) : à grande distance (par exemple, au-delà de 20 fois la distance Soleil-Pluton), la force de gravité diminuerait moins rapidement : elle serait inversement proportionnelle à la distance, et non plus à son carré. Ce tour de passe-passe théorique permet alors de se passer de l'énigmatique matière noire. Loin de faire l'unanimité, cette théorie est cependant périodiquement réexaminée. Car la « matière noire », activement recherchée sous toutes ses formes, ne s'est toujours pas manifestée… Cependant, une petite partie de cette inconnue (3,6 % sur les 26,6 %) pourrait être faite de matière ordinaire invisible et se nicher au cœur même des galaxies : « Celles-ci contiennent en effet une grande quantité de gaz froid sous forme de molécules d'hydrogène, qui ne brille pas et qui reste indétectable, sauf par ses effets gravitationnels », précise Françoise Combes. Les autres hypothèses imaginent l'existence de particules massives exotiques qui seraient très difficiles à détecter car elles réagiraient très peu avec la matière ordinaire : elles se trouveraient dans le halo des galaxies ou encore le long des filaments de gaz dans le milieu intergalactique. Pour les repérer, un seul recours : surprendre leur capacité à courber les rayons lumineux, à déformer les images d'astres lointains…

GLOSSAIRE

À chaque instant, nous observons le Soleil tel qu'il était il y a 8 min : notre étoile est à une distance de 8 min-lumière (sa lumière met 8 min pour nous parvenir). De la même manière, nous percevons un astre situé à 1 000 a.-l. tel qu'il était il y a 1 000 ans.

Noyaux actifs de galaxies (AGN)

Région compacte située au centre de certaines galaxies et extrêmement lumineuse dans plusieurs domaines de longueur d'onde. Il est couramment admis que cette région abrite un trou noir géant, dit supermassif.

Loi de Newton

Celle-ci postule que la force de gravité qui s'exerce entre deux objets est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Azar Khalatbari

Contact

Françoise Combes, [e-mail]

Pierre-Alain Duc, [e-mail]

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