Cloud-9 : l’énigmatique nuage d’hydrogène qui pourrait être une galaxie sans étoiles

Cloud-9 n’est pas un nuage ordinaire. Situé près de la galaxie spirale Messier 94 (M94), cet objet compact est constitué d’hydrogène atomique neutre — noté H I par les astronomes — et pourrait être une véritable « galaxie noire » : du gaz maintenu dans un halo de matière noire, avec très peu, voire aucune, étoile. Il s’agit du candidat le plus convaincant à ce jour à la catégorie des RELHIC (Reionization-Limited H I Clouds, ou nuages d’hydrogène neutre limités par la réionisation), même si cette identification reste une interprétation scientifique à consolider. 23

Des images dix fois plus profondes, toujours aucune étoile

L’équipe dirigée par Ignacio Trujillo a observé Cloud-9 avec la caméra rapide HiPERCAM, installée sur le Gran Telescopio Canarias (GTC), aux Canaries. Les images ont atteint des limites de brillance de surface de 31,4 mag/arcsec² dans le filtre g et de 31,0 dans le filtre r, soit une profondeur environ dix fois supérieure à celle des précédentes observations profondes de la région. 1

Résultat : aucune émission diffuse attribuable à des étoiles n’apparaît dans la zone centrale de 1′ × 1′, qui correspond à environ 1,3 × 1,3 kiloparsec, soit près de 4 200 années-lumière à la distance de Cloud-9. 1

Cette absence ne signifie pas mathématiquement qu’aucune étoile n’existe. Elle signifie en revanche qu’aucune population stellaire n’est détectable, malgré des contraintes parmi les plus exigeantes obtenues pour cet objet.

Au plus 16 000 masses solaires d’étoiles

Les chercheurs ont aussi évalué ce que pourrait cacher une population d’étoiles très difficile à voir : vieille et pauvre en éléments lourds. Même dans ce cas, les données imposent une densité surfacique maximale d’environ 0,01 masse solaire par parsec carré et une masse stellaire totale inférieure à 16 000 masses solaires dans la région étudiée. 1

Cette limite, obtenue en lumière intégrée, est indépendante de la précédente recherche d’étoiles résolues menée avec le télescope spatial Hubble et concorde avec elle. 12

Beaucoup de gaz, mais pas de fabrique d’étoiles visible

Les mesures radio montrent que Cloud-9 est compact, dynamiquement froid et ne semble pas tourner. Il renferme approximativement un million de masses solaires d’hydrogène neutre. 2

Les modèles employés pour l’interpréter suggèrent un halo d’une masse de l’ordre de 5 milliards de masses solaires. Rapportée à la masse d’hydrogène neutre seule, cette estimation correspond au ratio souvent cité d’environ 5 000 pour 1 entre la masse du halo et celle du H I. Il ne s’agit toutefois pas du rapport habituel entre matière noire et l’ensemble de la matière ordinaire : l’hélium et le gaz ionisé, notamment, comptent aussi parmi les baryons.

Un objet au bon endroit dans les prédictions cosmologiques

Dans le cadre du modèle cosmologique ΛCDM — le modèle standard incluant la matière noire froide et l’énergie sombre — la réionisation de l’Univers a chauffé le gaz intergalactique. Ce processus a empêché le gaz de s’installer dans les halos de matière noire les moins massifs.

Le scénario prédit une fenêtre très étroite :

• dans des halos plus massifs, le gaz devrait refroidir suffisamment pour former des étoiles ;
• dans des halos nettement moins massifs, le gaz devrait être perdu ou ne jamais être retenu ;
• entre les deux, un halo pourrait conserver de l’hydrogène neutre tout en restant pratiquement sans étoiles.

Cloud-9 semble précisément occuper cette zone intermédiaire, ce « créneau » théorique où un RELHIC peut exister. 23

Pourquoi cette absence de lumière compte

Si son statut se confirme, Cloud-9 fournirait un test observationnel rare des petits halos de matière noire prédits par ΛCDM. Ces halos devraient être nombreux, mais beaucoup pourraient être très difficiles à détecter faute d’étoiles pour les rendre visibles.

Les relevés du DESI Imaging Legacy Survey avaient déjà montré l’absence de contrepartie optique jusqu’à environ 29,15 mag/arcsec². 3 De futurs relevés radio à grande échelle et des campagnes optiques plus profondes pourront rechercher d’autres nuages compacts, isolés, extrêmement pauvres en métaux ou sans étoiles détectables. La question sera alors de savoir si Cloud-9 est un survivant exceptionnel ou le premier représentant observable d’une population longtemps attendue.