La courbe de rotation d'une galaxie : un outil crucial dans l'étude de la distribution de la masse au sein des galaxies

La courbe de rotation d'une galaxie est un outil crucial dans l'étude de la distribution de la masse au sein des galaxies. Elle décrit la façon dont la vitesse de rotation des étoiles et du gaz autour du centre galactique varie en fonction de leur distance à ce centre. L'analyse de ces courbes a conduit à certaines des découvertes les plus significatives en astrophysique, notamment l'existence de la matière noire.

Fondements théoriques

Selon les lois de Kepler et la dynamique newtonienne, dans un système où toute la masse est concentrée au centre, la vitesse de rotation \(v\) d'un objet en orbite à une distance \(r\) du centre est donnée par la formule:


où \(G\) est la constante gravitationnelle, et \(M\) est la masse de l'objet central. Dans un tel scénario, la vitesse de rotation diminue avec l'augmentation de la distance au centre, ce qui est observé dans le système solaire où les planètes plus éloignées du Soleil orbitent plus lentement.

Observations des galaxies

Cependant, les observations des courbes de rotation des galaxies montrent un comportement différent. Au lieu de décroître avec la distance, la vitesse de rotation des étoiles reste constante ou diminue très lentement aux grandes distances du centre galactique. Cette constatation est en désaccord avec le modèle newtonien qui prédit une décroissance rapide des vitesses orbitales avec l'augmentation de la distance, si l'on considère que la majorité de la masse d'une galaxie est concentrée dans son bulbe central.


Pour expliquer ces observations, les scientifiques ont postulé l'existence de la matière noire. Cette forme de matière ne peut être observée directement à travers les télescopes car elle n'émet ni n'absorbe de lumière, mais elle exerce une force gravitationnelle sur les objets visibles, comme les étoiles et le gaz dans les galaxies. La matière noire est répartie de manière à expliquer les vitesses de rotation observées : elle enveloppe la galaxie dans un halo étendu, augmentant ainsi la masse totale perçue par les étoiles en orbite à grande distance du centre.

La formule modifiée

Pour tenir compte de la distribution de la matière noire, la formule de la vitesse de rotation doit être ajustée pour inclure la masse du halo de matière noire (\(M_{dm}\)) en fonction de \(r\). La vitesse devient:



où \(M_{dm}(r)\) est la masse de la matière noire à l'intérieur du rayon \(r\). Cette formule montre que la vitesse de rotation dépend non seulement de la masse visible de la galaxie mais aussi de la distribution et de la quantité de matière noire.


Les courbes de rotation des galaxies ont donc révélé l'une des énigmes les plus profondes de l'univers : la présence de la matière noire. Bien que nous ne puissions pas la voir directement, son influence gravitationnelle sur les mouvements des étoiles et du gaz dans les galaxies est une preuve convaincante de son existence, poussant les scientifiques à réévaluer notre compréhension de la composition de l'univers.