À l’été 2015, Ignacio Trujillo parcourait des images du ciel profond lorsqu’une tranche de la constellation Cetus (« baleine ») a attiré son attention. Provenant d’un télescope du Sloan Digital Sky Survey, un système de cartographie de l’univers, l’instantané avait capturé un « quelque chose » presque indiscernable qui était tellement obscurci par des pixels bruyants qu’il aurait pu s’agir d’un artefact banal ou d’un fragment banal de la queue d’une comète qui passait. Mais Trujillo, astronome à l’Institut d’astrophysique des îles Canaries (IAC) en Espagne, avait une lueur d’espoir d’être tombé sur quelque chose ayant une signification plus cosmique. Lorsque des images plus nettes provenant de meilleurs télescopes sont arrivées près de quatre ans plus tard, une tache bleuâtre est apparue: une masse massive et fantomatique d’étoiles et de gaz si faible qu’elle avait échappé à l’attention des autres astronomes vigilants. La galaxie extrêmement gonflée, estimée à environ 300 millions d’années-lumière de la Terre, est «beaucoup étendu et plus grand que ce qu’il devrait être », dit Trujillo. “Nous n’avons rien vu de tel.”
Au début de l’année dernière, près d’une décennie après la première observation de la galaxie, Trujillo et ses collègues ont envisagé de nombreux noms pour la nouvelle découverte, à la recherche d’un nom qui soulignerait son apparence extraordinairement diffuse.
L’astronome espagnol a également montré les images à sa fille de cinq ans. “Amelia, qu’est-ce que tu penses que c’est?” Il a demandé. “Papa, c’est un Nube, Non?” elle répondit.
Nube (prononcé « nooh-bey ») signifie « nuage » en espagnol. Le nom était « exactement ce que nous avions imaginé », dit Trujillo. Lui et ses collègues décrivent la nouvelle galaxie dans un article récemment publié dans la revue Astronomie et astrophysique. Selon Trujillo, des observations ultérieures pourraient bientôt couronner officiellement Nube comme la plus grande galaxie dite ultradiffuse, ou UDG, une catégorie de galaxies définies par leurs étoiles très clairsemées et leur extrême faiblesse associée. Même si ni la taille colossale de Nube ni sa population stellaire dispersée ne mériteraient à elles seules beaucoup d’attention de la part des astronomes, elles révèlent ensemble une galaxie avec une distribution d’étoiles étonnamment basse et étonnamment uniforme. Nube a, par exemple, la forme « plus d’une crêpe » que le disque bombé de notre propre Voie lactée, explique Mireia Montes, responsable de l’étude de l’IAC. Pourtant, la galaxie est « si faible qu’on peut à peine la voir ».
On pense que la majeure partie de sa masse se cache dans un halo environnant de matière noire – la substance invisible qui lie les galaxies entre elles mais que les chercheurs n’ont pas encore détectée directement. Selon Montes et ses collègues, l’étrange douceur de la structure diffuse de Nube suggère que son halo de matière noire est tout aussi clair, signe que la galaxie et le halo pourraient être des reliques presque vierges qui n’ont guère changé depuis leur formation il y a des milliards d’années. Cela pourrait faire de Nube un banc d’essai particulièrement précieux pour sonder la nature mystérieuse de la matière noire.
“Il est très rare de trouver quelque chose comme ça”, explique Jin Koda, professeur de physique et d’astronomie à l’université de Stony Brook, qui n’a pas participé au nouvel article. “C’est extrêmement excitant.”
Un dériveur cosmique
Les arguments en faveur de la préservation cosmique de Nube sont renforcés par son emplacement éloigné : la galaxie est à la dérive dans une poche isolée de l’univers, et son grand voisin le plus proche se trouve à 1,4 million d’années-lumière. Les observations réalisées avec le Grand Télescope des Îles Canaries (GTC) en Espagne suggèrent que Nube a environ 10 milliards d’années car il héberge des étoiles correspondant à cet âge plus âgées. Entre-temps, une première analyse de 12 heures de données du télescope Green Bank (GBT) en Virginie occidentale suggère que la galaxie héberge également un réservoir important d’hydrogène primordial – l’élément initial et le plus abondant de l’univers et un carburant qui donne naissance à de nouvelles étoiles. L’abondant réservoir d’hydrogène de la galaxie suggère que Nube est en train de faire germer de nouvelles générations d’étoiles à travers les éons, selon Ananthan Karunakaran de l’Université de Toronto, qui a détecté le gaz. Ce mélange de vieilles étoiles et d’hydrogène vierge dans une galaxie ultradiffuse comme Nube « n’est pas inhabituel », dit-il, « mais ce n’est pas typique ».
La plupart des UDG, dont plus de 800 découverts par Koda et son équipe dans le cluster Coma en 2015, sont dépourvus de tels réservoirs d’hydrogène. Dans les dernières données sur Nube, le gaz apparaît comme des « impulsions sur un moniteur de rythme cardiaque », explique Karunakaran. Les observations de GBT, note-t-il, n’étaient pas assez précises pour permettre de déterminer si le gaz se trouve réellement à l’intérieur de la galaxie ou s’il est plutôt situé dans une galaxie plus lointaine qui se cache encore invisible en arrière-plan. Résoudre cette incertitude est crucial car les chercheurs ont utilisé l’hydrogène pour estimer la distance entre Nube et la Terre, ce qui leur a permis de déduire la taille énorme de la galaxie. Si l’hydrogène détecté n’était qu’un imposteur externe, Nube serait en réalité plus proche et donc plus petit qu’on ne le prétend.
“Tout ce travail repose sur la bonne distance par rapport à la galaxie”, explique Chris Mihos, astronome à la Case Western Reserve University, qui n’a pas participé au nouvel article. “Et c’est vraiment difficile à mesurer.” Les observations de suivi de l’équipe prévues pour le télescope Very Large Array au Nouveau-Mexique pourraient bientôt apporter des certitudes. Et si les résultats sont validés, Nube pourrait devenir un objet de référence pour les futures études sur la matière noire.
« La question à un milliard de dollars »
Jusqu’à présent, la plupart des galaxies ultradiffuses ont été observées en interaction avec leurs voisines en amas ou côtoyant de grandes galaxies. Comment, alors, Nube a-t-il fini par devenir un vagabond cosmique ?
«C’est la question à un milliard de dollars», déclare Kristine Spekkens, coauteure de l’étude, de l’Université Queen’s, en Ontario. Spekkens dit qu’il est possible que, comme d’autres UDG, Nube soit né dans un groupe de galaxies dont les habitants l’auraient « secoué ou remué » il y a des lustres, lui arrachant la plupart de ses étoiles et la transformant en ce qu’on appelle une galaxie naine de marée avant Nube. s’est échappé. Pourtant, Nube ne présente aucune traînée d’étoiles typique de tels objets. Et elle ne montre aucun autre signe évident d’interactions passées avec son grand voisin le plus proche et probablement son ancêtre, la galaxie UGC 929, qui se trouve à environ 1,4 million d’années-lumière dans le rétroviseur de Nube. Mihos convient que Nube ne semble pas être un nain de marée à première vue. «Mais ce n’est pas la même chose que de dire que cela n’a jamais été le cas», dit-il.
La deuxième possibilité, purement hypothétique mais alléchante, est que Nube soit simplement né bizarre. Les simulations de formation de galaxies basées sur le modèle canonique de cosmologie Lambda-CDM (LCDM) (où « Lambda » et « CDM » signifient respectivement « énergie noire » et « matière noire froide ») peuvent facilement reproduire un large éventail de types de galaxies avec précision remarquable. Mais jusqu’à présent, ils n’ont pas réussi à reproduire la structure en « crêpe » de Nube, dit Montes. “Même dans les cas les plus extrêmes, Nube est loin d’être le cas”, ajoute-t-elle.
Les caractéristiques excentriques de la galaxie ont cependant été très bien reproduites dans des simulations intégrant un candidat alternatif à la matière noire, appelé « axions ultralégers ». Il s’agit de particules subatomiques hypothétiques nommées pour leur masse extrêmement faible qui, dans leurs effets gravitationnels, se distinguerait à peine de la matière noire froide, sans leur subtil lissage des perturbations dans l’univers primitif. Les scientifiques soupçonnent que ces particules spatiales encore inconnues pourraient être responsables de la masse « manquante » de l’univers.
“Les axions sont un candidat très intéressant au-delà du modèle standard de la physique”, déclare Masha Baryakhtar, physicienne théorique des particules à l’Université de Washington, qui n’a pas participé à la nouvelle recherche. “Ils résolvent de nombreux problèmes en suspens dans le modèle standard.”
Si les axions sont de la matière noire, cela peut expliquer comment des UDG extrêmes tels que Nube ont réussi à se former dans un isolement apparent des autres galaxies, concluent Montes et ses collègues.
“Ce serait incroyable, si c’était vrai”, déclare Matthew Walker, astrophysicien à l’Université Carnegie Mellon, qui étudie la matière noire et n’a pas participé aux nouveaux travaux. Le mépris de Nube envers les simulations cosmologiques standards est une « affirmation juste à ce stade », dit Walker, bien qu’il ajoute que l’étrangeté de la galaxie ne constitue pas une garantie d’une nouvelle physique. « Donnez-leur quelques années et les simulateurs trouveront comment y parvenir », dit-il. “Cela pourrait bien s’avérer être le cas dans ce cas également.”
Entre-temps, Monte et son équipe – et sans doute d’autres aussi – parcourront le ciel profond à la recherche d’autres galaxies comme Nube dans l’espoir que la découverte de cette galaxie moins unique pourrait néanmoins permettre une avancée singulière dans notre compréhension du cosmos.
