Première observation de la distribution d’hydrogène neutre d’une galaxie avec le radio télescope KAT-7, en Afrique du sud

Une équipe d’astronomes dirigée par Claude Carignan, professeur émérite au Département de physique de l’Université de Montréal, membre du CRAQ et détenteur d’une chaire de recherche à l’Université de Cape Town, a réalisé la première observation de la distribution d’hydrogène neutre (HI) d’une galaxie à l’aide du radiotélescope KAT-7, précurseur de ce qui deviendra le plus grand radio télescope au monde, le Square Kilometer Array (SKA).

Les radioastronomes ont pointé leur télescope vers la galaxie NGC 3109 – une galaxie spirale située à environ 4.3 millions d’années-lumière de la Terre dans la constellation de l’Hydre (voir figure ci-dessous). Ils ont accumulé plus de 120 heures d’observation dont les données ont mené la première publication scientifique utilisant KAT-7. Il s’agit d’une étape importante pour le SKA South Africa, puisque l’observation de l’hydrogène neutre dans les galaxies constitue l’une des principales motivations scientifiques

Malgré sa taille modeste (7 antennes de 12 m), KAT-7 a pu détecter 40% plus d’émission du gaz HI provenant de NGC 3109 que le plus grand des radiotélescopes à ouverture de synthèse au monde : le Very Large Array (VLA) situé au Nouveau-Mexique. La raison en est, qu’étant plus compact, KAT-7 peut détecter du gaz distribué sur de grandes échelles qui ne sont pas visibles pour le VLA. Ceci démontre que le diamètre du radiotélescope n’est pas tout et que des classes de télescopes de diamètres variés offrent des opportunités scientifiques. KAT-7 est le télescope parfait pour observer les galaxies proches qui couvrent une grande partie du ciel. À titre d’exemple la surface de NGC 3109 est 4 fois plus étendue que la Lune sur le ciel.

Ces observations ont permis de calculer les vitesses de rotation de NGC 3109 à un rayon deux fois plus grand que ce que peut faire le VLA, permettant ainsi de sonder le potentiel gravitationnel à des plus grandes distances du centre de la galaxie que ce qui avait été obtenu par d’autres radiotélescopes auparavant. Il faut se rappeler que KAT-7 a été construit principalement pour tester des solutions technologiques pour le SKA de sorte que tout résultat scientifique obtenu constitue un bonus pour la science.

La modélisation des observations de KAT-7 montre qu’une distribution de la densité de matière sombre presque constante au centre donne une meilleure représentation des données qu’une distribution pointue, telle que prédite par les simulations numériques basées sur le modèle cosmologique communément accepté modèles de matière sombre froide (LCMD). Un autre modèle appelé Modified Newtonian Dynamics (MOND) a été proposé pour expliquer les vitesses de rotation constantes plutôt que décroissantes dans les régions extérieures des galaxies. L’argument de la théorie de MOND est qu’à faibles accélérations, la loi de gravité de Newton doit changer. Si c’était vraiment le cas, cette théorie devrait réussir à expliquer les vitesses dans toutes les galaxies, sans exception. Cependant, ces nouvelles données sur NGC 3109 posent un défi de taille à MOND puisque cette théorie ne réussit pas à les reproduire. Donc, déjà les premières observations de KAT-7 nous renseignent sur deux propriétés importantes de la matière sombre : les vitesses de rotation constantes observées ne peuvent être expliquer par une modification des lois de gravité et la matière sombre n’est pas piqué au centre telle que prédit par les simulations numériques cosmologiques.

Ceci n’est qu’un début. Durant les 3 prochaines années, les astronomes pourront observer 30 galaxies pour 200 heures chacune avec les 64 antennes du télescope MeerKAT, le précurseur du SKA qui est actuellement en construction. Au total, ces 6000 heures d’observation constituent le projet MHONGOOSE. Ce projet, grâce à son niveau de détection inégalé du gaz HI, permettra d’étudier les régions extérieures des galaxies beaucoup plus en profondeur et nous dévoilera d’autres propriétés fondamentales de la matière sombre.

Cette image montre que la galaxie NGC 3109 est en rotation avec le côté bleu s’approchant et le côté rouge s’éloignant de nous. La rotation peut être utilisée par les astronomes pour étudier la distribution de la matière sombre dans les galaxies

L’article a été accepté pour publication dans la revue Astronomical Journal (http://arxiv.org/abs/1306.3227) et sera publié en septembre 2013.

Source :
Pr. Claude Carignan
Professeur émérite, Département de physique, Université de Montréal
Chaire de recherche en astronomie multi-longueurs d’onde, Département d’astronmie, Université de Cape-Town
Claude.Carignan@umontreal.ca

Renseignements :
Olivier Hernandez, Ph.D.
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