Hubble observe une galaxie presque sans étoiles : ce qu’elle contient à la place intrigue les astronomes

Dans un amas de galaxies lointain, une galaxie presque invisible vient d’être dévoilée par Hubble, mettant les chercheurs face à une énigme cosmique.

À partir d’observations menées avec le télescope spatial Hubble de la Nasa et de l’ESA, mais aussi avec de grands télescopes au sol comme le japonais Subaru, des astronomes ont identifié une galaxie très particulière, quasiment dépourvue d’étoiles visibles. Son étude, présentée notamment par le média scientifique en ligne Futura, repose sur une question déroutante : que reste-t-il d’une galaxie quand la lumière de ses étoiles a presque disparu ?

Une galaxie fantomatique au cœur d’un amas lointain

La galaxie en question appartient à un amas massif, semblable à l’amas de Persée souvent cité comme référence. Dans ce type de région, des centaines voire des milliers de galaxies se rassemblent, enrobées d’un immense halo de matière noire et plongées dans un plasma brûlant. C’est dans ce décor que les chercheurs ont isolé une galaxie dite « ultra-diffuse », si pâle qu’elle se fond presque complètement dans le fond de ciel.

Sur les images de Hubble, la galaxie apparaît comme une faible lueur, étalée sur une taille comparable à celle de la Voie lactée, mais avec un nombre d’étoiles très réduit. Elle n’aurait jamais été repérée sans un indice bien spécifique : de petits points lumineux compactes, des amas globulaires, satellites typiques des galaxies.

Les amas globulaires, bien plus brillants que le faible fond d’étoiles de la galaxie, ont servi de balises pour la trahir sur les images de Hubble.

Les équipes ont donc commencé par cartographier ces amas globulaires, puis, en remontant leur distribution, ont pu confirmer la présence de la galaxie ultra-diffuse. Son étude détaillée figure dans un article scientifique mis en ligne sur la plateforme arXiv.

Les galaxies ultra-diffuses, un casse-tête pour les cosmologistes

Les galaxies ultra-diffuses, parfois abrégées UDG, ont été mises en avant il y a quelques années par l’astronome Pieter van Dokkum, de l’université de Yale. Elles présentent une combinaison déroutante :

• une taille similaire à celle des grandes galaxies spirales ;
• une luminosité extrêmement faible ;
• un nombre d’étoiles réduit ;
• souvent, un contenu important en matière noire.

Pour les spécialistes de cosmologie, ces objets sont précieux. Le modèle dit de matière noire froide (CDM) prévoit en effet l’existence de très nombreuses petites galaxies en orbite autour des grandes. Les simulations numériques montrent ces nuées de galaxies naines, mais les observations « classiques » n’en retrouvent pas assez. Les UDG pourraient représenter une partie de ces galaxies manquantes, qui auraient évolué jusqu’à devenir faiblement lumineuses.

Dans ce modèle, la matière noire domine la masse de la galaxie. Les étoiles, les gaz et les poussières – qu’on regroupe sous le terme de baryons – ne représentent qu’une minorité. Sur l’ensemble de l’Univers observable, les calculs indiquent ainsi qu’environ 80 % de la masse totale serait constituée de matière noire, sous la forme de particules encore non détectées.

Comment une galaxie peut-elle perdre presque toutes ses étoiles ?

Les chercheurs avancent plusieurs scénarios pour expliquer des galaxies aussi étendues, mais presque vides de lumière. L’un des cadres envisagés est le suivant :

Au final, il ne reste qu’une vaste enveloppe de matière noire, quelques vieilles étoiles et une poignée d’amas globulaires. Le cas mis en lumière par Hubble illustre précisément ce schéma : une galaxie presque dénuée de matière baryonique, mais qui porte la marque gravitationnelle d’un halo massif invisible.

Les chercheurs soupçonnent que l’amas a littéralement dépouillé la galaxie de son gaz, ne laissant subsister qu’un squelette de matière noire, ponctué de rares étoiles anciennes.

Matière noire : ce que raconte cette galaxie presque vide

L’intérêt de cette observation dépasse la seule curiosité d’un objet exotique. En cartographiant la distribution et la forme des galaxies dans les grands amas, comme l’image spectaculaire de l’amas de Persée obtenue par Euclid, les cosmologistes testent la manière dont la matière noire structure l’Univers.

Les galaxies ultra-diffuses représentent un test délicat pour le modèle standard :

Si une partie des naines « manquantes » se cachent parmi ces galaxies ultra-diffuses, cela renforcerait la validité du modèle de matière noire froide. À l’inverse, si leur nombre, leur répartition ou leurs propriétés s’écartent trop de celles prédites par les simulations, il faudra peut-être revoir certains paramètres de la cosmologie actuelle.

Ce que change cette découverte pour la vision de l’Univers

La galaxie suivie par Hubble confirme au moins une chose : la lumière des étoiles ne raconte qu’une faible part de l’histoire cosmique. Un même volume d’espace peut contenir :

• des galaxies brillantes, riches en gaz et en jeunes étoiles ;
• des galaxies vieillissantes, rouges et peu actives ;
• des galaxies ultra-diffuses, presque effacées ;
• et un vaste réservoir invisible de matière noire.

Pour mesurer la masse réelle des galaxies, les astrophysiciens se tournent vers d’autres indicateurs : vitesses des étoiles, distorsions de la lumière par effet de lentille gravitationnelle, ou encore nombre et répartition des amas globulaires. Dans le cas présent, ces amas jouent le rôle de marqueurs de masse. Leur abondance autour d’une galaxie permet d’estimer la masse totale de son halo de matière noire, bien au-delà de ce que suggère sa faible luminosité.

Une poignée de points brillants – les amas globulaires – suffit parfois à révéler une galaxie géante de matière noire, invisible au premier regard.

Et en France : comment ces recherches sont-elles menées ?

La France participe directement à ces travaux à travers plusieurs laboratoires, comme ceux du CEA ou du CNRS, impliqués dans les missions spatiales de l’ESA, dont Hubble fait partie avec la Nasa. Les chercheurs français contribuent aux modèles numériques de formation des galaxies, à la réduction des données d’Euclid ou encore à l’analyse des images profondes d’amas de galaxies.

Pour un lecteur en France, ces résultats n’ont pas d’impact pratique dans la vie quotidienne, mais ils éclairent l’effort collectif engagé pour comprendre la matière noire. Les grandes questions scientifiques – nature des particules, rôle dans la formation des structures cosmiques – sont au cœur de programmes internationaux auxquels la communauté française est pleinement associée.

À l’image de cette galaxie quasi invisible, les objets les plus instructifs ne sont pas forcément les plus spectaculaires. Les campagnes d’observation coordonnées entre télescopes spatiaux et terrestres, comme Hubble, Subaru ou les instruments européens, deviennent indispensables pour traquer ces « ombres » gravitationnelles au sein des amas.

Quelques repères pour mieux comprendre matière noire et galaxies diffuses

Qu’est-ce que la matière noire au juste ?

Les physiciens désignent par « matière noire » une forme de matière qui n’émet ni n’absorbe presque aucune lumière, mais dont la présence se révèle par la gravitation. Elle n’est pas constituée de protons et de neutrons comme les atomes ordinaires, et aucune de ses particules n’a encore été détectée directement dans les expériences en laboratoire.

Les principales preuves indirectes viennent :

• des vitesses de rotation des galaxies, trop rapides pour la seule masse visible ;
• de la dynamique des amas de galaxies ;
• du rayonnement fossile, vestige du Big Bang ;
• des effets de lentille gravitationnelle sur la lumière de galaxies lointaines.

Les galaxies ultra-diffuses ajoutent une pièce au puzzle. Elles semblent parfois dominées presque entièrement par cette matière invisible, ce qui en fait des laboratoires naturels pour tester les théories.

Pourquoi ces galaxies intriguent tant les astronomes ?

Dans un Univers régi par la gravitation, la répartition de la matière noire contrôle largement là où se forment les galaxies. Les UDG agissent comme des sondes : leur existence, leur fréquence et leurs propriétés orbitale indiquent si le modèle standard décrit correctement cette répartition.

Si les travaux fondés sur Hubble, Subaru et les autres instruments montrent que de nombreuses galaxies de ce type résident dans les amas, alors une part des « manques » des simulations sera comblée. À l’inverse, si ces objets restent trop rares ou trop atypiques, il faudra affiner la physique mise en jeu, voire envisager des modifications à notre compréhension de la gravitation à grande échelle.

Pour l’instant, cette galaxie presque sans étoiles rappelle surtout à quel point l’Univers reste largement dominé par l’invisible. Les images spectaculaires servent d’appel, mais c’est souvent dans les zones les plus ténues, là où la lumière se fait rare, que se cachent les informations les plus précieuses pour les cosmologistes.

Hélène Vasseur

Lecture rapide : rédactrice en chef d’Eurotel, ancienne de l’hôtellerie, spécialiste des hôtels de caractère et des city-trips.

Hélène Vasseur a passé près de quinze ans dans l’hôtellerie avant de se consacrer à l’écriture. De la réception d’un palace lyonnais à la direction d’une maison d’hôtes, elle a appris à lire un hôtel de l’intérieur : ce qui fait une vraie adresse, et ce qui relève du décor.

Rédactrice en chef d’Eurotel, elle coordonne la ligne éditoriale et arpente l’Europe à la recherche d’hôtels de caractère et de destinations à raconter autrement. Sa conviction : on voyage mieux quand on comprend les lieux, pas seulement quand on les coche. Elle garde un faible pour les vieilles villes d’Europe centrale et les petits-déjeuners qui s’éternisent.