Une gigantesque nappe de matière noire plane enveloppant le Groupe local de galaxies (qui inclut la Voie Lactée et Andromède) expliquerait les mouvements des galaxies à proximité, selon de nouvelles simulations. Les petites galaxies proches s’éloignent notamment de nous conformément aux prédictions de la loi de Hubble-Lemaître sur l’expansion de l’Univers, tandis qu’Andromède se rapproche, une contradiction qui ne pourrait s’expliquer que par une distribution de masse plane de la matière noire environnante à l’échelle du Groupe local.
Mesurant près de 9,8 millions d’années-lumière de diamètre, le Groupe local de galaxies (ou Groupe local) est composé principalement dela Voie Lactée et de la galaxie d’Andromède, qui possèdent chacune leurs propres galaxies satellites, comme le Petit et le Grand Nuage de Magellan ou la galaxie du Triangle, ainsi que d’environ 88 autres petites galaxies. L’ensemble est nommé ainsi car les galaxies y sont liées par leur attraction gravitationnelle.
Malgré ses dimensions, le Groupe local est relativement modeste par rapport aux autres amas de galaxies dans l’Univers. Il joue toutefois un rôle clé dans la compréhension de la dynamique de l’Univers proche. Edwin Hubble avait prédit il y a environ un siècle que presque toutes les galaxies s’éloignaient de la Voie Lactée, une observation qui a confirmé la théorie de George Lemaître sur l’expansion de l’Univers.
Cependant, alors que les galaxies proches du Groupe local s’éloignent et semblent ne pas être affectées par l’attraction gravitationnelle de ce dernier, Andromède, elle, se rapproche de la Voie Lactée à une vitesse d’environ 100 kilomètres par seconde. Une étude co-dirigée par l’Université de Groningue, aux Pays-Bas, propose de nouvelles simulations informatiques pour expliquer cette différence, en tenant compte de la répartition de la masse de matière visible et invisible (de la matière noire donc) dans le Groupe local et son environnement immédiat.
«Les modèles peinent depuis longtemps à reproduire le flux de Hubble calme autour du Groupe local, car ils nécessitent une masse irréaliste au-delà des halos des deux galaxies principales», expliquent les chercheurs dans leur étude publiée le 27 janvier dans la revue Nature Astronomy. Le flux de Hubble désigne le mouvement d’ensemble des galaxies qui s’éloignent les unes des autres en raison de l’expansion de l’Univers.
«Nous réexaminons ici cette question à l’aide de simulations ΛCDM [le modèle cosmologique standard] d’analogues du Groupe local, avec des conditions initiales contraintes pour correspondre à la dynamique observée des deux halos principaux et du flux environnant», indiquent-ils.
Des « jumeaux virtuels » de notre environnement cosmique local
Pour effectuer leurs simulations, les chercheurs ont développé un algorithme paramétré avec les conditions de certaines régions de l’Univers primordial et dont la distribution de masse est basée sur les observations du fond diffus cosmologique — les vestiges des plus anciens rayonnements de l’Univers, datant de près de 380 000 ans après le Big Bang.
Diverses projections de la densité moyenne a posteriori de l’ensemble de simulations contraintes, normalisée par la densité moyenne cosmique. © Wempe et al.Sur la base de ces données, le modèle a ensuite été évolué à l’aide d’un supercalculateur pour reproduire les caractéristiques actuelles du Groupe local, notamment sa masse, sa position et la vitesse de la Voie Lactée et de la galaxie d’Andromède, ainsi que les positions et les vitesses de 31 galaxies proches situées juste à l’extérieur du Groupe local.
Les simulations ont permis de reproduire avec précision les vitesses observées des 31 galaxies environnantes qui s’éloignent de nous selon la loi de Hubble-Lemaître, malgré la masse importante du Groupe local et du halo de matière environnant. D’après les chercheurs, le niveau de précision obtenu aurait permis de créer des « jumeaux virtuels » de notre environnement cosmique local.
Les résultats des simulations suggèrent qu’il y aurait deux raisons principales expliquant les écarts apparents par rapport à la loi de Hubble-Lemaître. La première est que pour les galaxies proches situées dans le plan galactique, l’attraction gravitationnelle du Groupe local est compensée par la masse plus éloignée. Deuxièmement, les zones où l’on s’attendrait à ce que la matière se dirige vers nous (dans les vides cosmiques) sont en réalité invisibles car elles sont dépourvues de galaxies.
Mouvement et vitesse simulés (indiqués par la longueur des flèches) des objets entourant le Groupe local (au centre de l’image). © Wempe et al.Les données suggèrent que la majeure partie de la matière noire située au-delà du Groupe local de galaxies est organisée dans un plan étendu avec de vastes vides au-dessus et au-dessous. Cette distribution particulière de masse expliquerait pourquoi les galaxies proches s’éloignent tandis qu’Andromède se rapproche.
«Cette géométrie aplatie permet de concilier les estimations de masse dynamique du Groupe local avec le champ de vitesse environnant, démontrant ainsi une cohérence totale au sein du modèle cosmologique standard», écrivent les chercheurs.
D’après Ewoud Wempe de l’Institut Kapteyn de l’Université de Groningue, qui a dirigé l’étude, il s’agit de l’une des premières évaluations détaillées de la distribution et de la vitesse de la matière noire dans la région entourant la Voie Lactée et la galaxie d’Andromède. «Nous explorons toutes les configurations locales possibles de l’Univers primordial qui pourraient avoir mené au Groupe local. C’est formidable de disposer désormais d’un modèle cohérent à la fois avec le modèle cosmologique actuel et avec la dynamique de notre environnement local», conclut-il.
L'année-lumière est une unité de longueur utilisée pour exprimer des distances astronomiques. Elle est définie par l'Union Astronomique Internationale (UAI) comme la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant une année julienne (365.25 jours). Elle vaut environ... [...]