Trou noir ou matière noire au centre de la Voie lactée ? Telle est la question…

Vue d’artiste du centre de la Voie lactée. © Nasa
L’astre compact qui siège au cœur de notre galaxie est un trou noir… Ou pas, répond une équipe menée par un jeune chercheur colombien. Son hypothèse ? Le centre de la Voie lactée accueille une concentration de matière noire.

Quel est donc l’astre compact nommé Sagittarius A* qui réside au centre de notre galaxie ? Les astronomes pensent depuis longtemps qu’il s’agit d’un trou noir supermassif sans en avoir aucune preuve directe, telle une photo. Alors si c’était autre chose, comme une concentration de matière noire ? C’est l’idée explorée par l’équipe d’Eduar Becerra-Vergara (International Center for Relativistic Astrophysics).

Non seulement cette hypothèse expliquerait pourquoi un nuage de gaz qui passait par là en 2014 a ralenti. Mais elle serait aussi en parfait accord avec la rotation de 17 étoiles autour de Sagittarius A*, d’après cette équipe de recherche. Mais une explication si exotique est-elle nécessaire ?

Un trou noir, des problèmes

C’est que tout n’est pas rose au pays des trous noirs. Si Sagittarius A* en est un, on n’a pas de preuve de sa rotation. Or dans l’espace, tous les astres tournent ! On n’a pas non plus observé son horizon des évènements, cette limite au-delà de laquelle la lumière ne peut échapper à sa gravitation et qui signe la présence d’un trou noir ! Enfin, en 2014, un nuage de gaz nommé G2 a ralenti après son passage au plus près du supposé trou noir Sagittarius A*, dont la masse est estimée à 4 millions de masses solaires. Or, pour expliquer cela, il faudrait ajouter à ce dernier un disque d’accrétion que l’on n’a pas observé pour le moment.

De gauche à droite : le déplacement du nuage G2 autour de SgrA* (croix) en 2006, 2010, 2012, février et septembre 2014. La teinte rouge indique que le nuage s’éloigne de nous, et le bleu, qu’il se rapproche. Ces images du VLT semblent indiquer que le nuage à survécu à son passage au plus près de l’astre compact. © ESO/VLT
De gauche à droite : le déplacement du nuage G2 autour de SgrA* (croix) en 2006, 2010, 2012, février et septembre 2014. La teinte rouge indique que le nuage s’éloigne de nous, et le bleu, qu’il se rapproche. Ces images du VLT semblent indiquer que le nuage à survécu à son passage au plus près de l’astre compact. © ESO/VLT

Toutes ces incertitudes laissent de la place pour d’autres théories comme celle proposée par Eduar Becerra-Vergara et son équipe. « Il est toujours intéressant que d’envisager des solutions alternatives en dehors de la théorie principale, qui a fait ses preuves depuis des dizaines d’années, souligne Françoise Combes, astrophysicienne à l’observatoire de Paris. Beaucoup de propositions ont été faites pour rendre compte de la grande masse compacte située au centre de notre galaxie, que ce soit des amas compacts d’étoiles, des bosons condensés, etc. Mais au fil des ans, toutes ces alternatives ont disparu avec les progrès de la résolution spatiale et les observations des vitesses des étoiles et du gaz qui rendaient ces hypothèses intenables. Il y a bien un trou noir de 4 millions de masses solaires au centre de la Voie lactée. »

Mais pour l’équipe d’Eduar Becerra-Vergara, une telle hypothèse n’explique pas tout et une concentration de matière noire offre des avantages par rapport à un trou noir.

Une concentration de matière noire

L’idée prend corps en 2015, lorsque trois membres de l’équipe enquêtent sur la distribution de matière noire dans les galaxies. Ils postulent que celle-ci serait faite de particules appelées darkinos. « Elles appartiendraient à la famille des fermions comme les électrons. Elles devraient faire 1/9 de leur masse, mais seraient sans charge, explique Jorge Rueda qui a participé à l’étude. Elles pourraient être des neutrinos stériles », des particules hypothétiques qui n’interagissent que par leur gravité.

« Ce scénario a une longue histoire, ajoute Pierre-Henri Chavanis (université de Toulouse), qui travaille depuis longtemps sur ce genre de modèle. L’idée générale qu’une boule de fermions au centre de la Galaxie pourrait jouer le même rôle qu’un trou noir supermassif est apparue en 2002. » Mais dans le travail d’Eduar Becerra-Vergara, les choses se précisent. Les darkinos seraient partout dans les galaxies, de leur bord à leur centre. Leur gravitation expliquerait le mouvement des étoiles, en particulier leur ralentissement dans les parties externes des galaxies, et pas seulement pour la Voie lactée !

« Nous avons aussi testé cette propriété de notre modèle de matière noire dans les galaxies naines et elliptiques, et même dans les amas de galaxies. Et elle s’accorde incroyablement bien avec les données », se réjouit Jorge Rueda. Mais la particularité de ce modèle est qu’une concentration de darkinos devrait se trouver au centre de chaque galaxie. Elle expliquerait ainsi le mouvement des étoiles observé autour de Sagittarius A* tout aussi bien qu’un trou noir supermassif de 4 millions de masses solaires.

Les trajectoires de 17 étoiles toutes proches de SgarA* ont été étudiées pour mieux comprendre la nature de Sgra*. Illustration : DR
Les trajectoires de 17 étoiles toutes proches de SgrA* ont été étudiées pour mieux comprendre la nature de Sgra*. Illustration : DR

Ainsi, en étudiant la trajectoire des 17 étoiles les plus précisément observées autour de Sagittarius A*, les chercheurs trouvent que leur mouvement s’accorde avec une concentration de darkinos de 3,5 millions de masses solaires. Cela ne convainc pas Françoise Combes : « La variabilité des phénomènes qui se passent près de Sagittarius A* montre que l’objet compact qui s’y trouve devrait mesurer moins de 0,0001 parsec, ce qui est complètement impossible dans le modèle alternatif proposé. »

Oui, mais l’équipe d’Eduar Becerra-Vergara n’en démord pas non plus, car l’hypothèse d’un trou noir peine à expliquer ce qui s’est passé avec le nuage de gaz G2 ! « Il faudrait ajouter au trou noir un disque d’accrétion avec la bonne densité de matière et le bon coefficient de friction pour expliquer le ralentissement de G2, argumente Jorge Rueda. Au contraire, un noyau de darkinos explique naturellement les données. G2 est juste passé à travers cette région de plus grande densité et cette variation produit une force gravitationnelle agissant sur le nuage sans que nous ayons à modifier le moindre paramètre de notre modèle de matière noire. »

Cette vue du centre de la Voie lactée couvre 37 années-lumière. Elle combine des observations en ondes radio (rouge) et en rayons X (bleu). Les mouvements de matière autour de SgrA* sont visibles en radio. Les rayons X (en bleu) révèlent le vestige d’une supernova baptisé SgrA East, à proximité de l’astre compact. © Nasa/CXC et NSF/NRAO/VLA
Cette vue du centre de la Voie lactée couvre 37 années-lumière. Elle combine des observations en ondes radio (rouge) et en rayons X (bleu). Les mouvements de matière autour de SgrA* sont visibles en radio. Les rayons X (en bleu) révèlent le vestige d’une supernova baptisé SgrA East, à proximité de l’astre compact. © Nasa/CXC et NSF/NRAO/VLA

Un noyau de matière noire instable

Attention : ce dernier n’exclut pas la présence de trous noirs supermassifs dans d’autres galaxies comme celui photographié récemment dans M87, il est même capable d’expliquer leur formation ! « D’après nos calculs, un noyau de matière noire d’environ 100 millions de masses solaires deviendrait instable et s’effondrerait sous sa propre gravité, décrit Jorge Rueda. Il formerait alors un trou noir supermassif qui serait capable de croitre rapidement en accrétant la matière ordinaire alentour, grossissant ainsi de plus en plus jusqu’à atteindre une masse de dizaines de milliards de masses solaires. »

Alors trou noir ou matière noire au centre de la Voie lactée ? « L’interféromètre Gravity sur le VLT a détecté en 2018 du gaz avec une vitesse de 100 000 km/s. Pour obtenir une telle vitesse, il faudrait augmenter la densité de matière noire jusqu’à en faire un trou noir », note Françoise Combes. On le voit, le débat est loin d’être clos. Pour le faire avancer, « une prochaine étape serait de valider le fait que ce type de matière noire produit bien un objet compact au centre d’une galaxie », préconise Pierre-Henri Chavanis. En attendant, « nous allons continuer de confronter notre modèle de matière noire aux données », indique Jorge Rueda. Le chapitre est loin d’être clos. Ou encore, pour paraphraser Hamlet, l’avenir nous dira laquelle de ces deux théories endurera les coups et les revers d’une injurieuse fortune.

 

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