Cloud-9 : le nuage d’hydrogène sans étoiles qui pourrait révéler une « galaxie noire »

Cloud-9 est un nuage compact d’hydrogène neutre — noté H I par les astronomes — situé dans les environs de la galaxie spirale Messier 94. C’est l’un des meilleurs candidats connus à la catégorie des RELHIC (Reionization-Limited H I Cloud), c’est-à-dire un halo de matière noire qui aurait retenu une partie de son gaz après la réionisation cosmique, sans jamais former de galaxie d’étoiles détectable. 2

Un regard beaucoup plus profond, mais toujours aucune étoile

L’équipe dirigée par Ignacio Trujillo a observé Cloud-9 avec HiPERCAM, une caméra installée sur le Gran Telescopio Canarias (GTC), télescope de 10,4 mètres situé aux Canaries. Les images ultra-profondes ont atteint des limites de brillance de surface de 31,4 et 31,0 magnitudes par seconde d’arc carré dans les bandes g et r. C’est environ dix fois plus profond que les images profondes précédemment disponibles. 1

Dans la zone centrale de 1′ × 1′, soit environ 1,3 × 1,3 kiloparsec — près de 4 200 × 4 200 années-lumière — les chercheurs n’ont détecté aucune lumière stellaire diffuse. 1

Cette absence ne signifie pas qu’il est mathématiquement impossible qu’une étoile s’y trouve. Elle fixe toutefois une contrainte très sévère : si Cloud-9 abrite une population ancienne et pauvre en métaux, sa densité de surface devrait être inférieure ou égale à environ 0,01 masse solaire par parsec carré, pour une masse stellaire totale d’au plus environ 16 000 masses solaires. 1

Pourquoi cette non-détection est importante

Le résultat obtenu en lumière intégrée confirme indépendamment les comptages d’étoiles résolues effectués avec Hubble : aucune galaxie naine ordinaire, simplement très faible, ne semble se dissimuler à l’emplacement de Cloud-9. 12

Les observations radio indiquent que le nuage contient environ un million de masses solaires d’hydrogène neutre. Si ce gaz est maintenu par gravitation, il faudrait un halo d’une masse proche de cinq milliards de masses solaires. Cloud-9 serait donc dominé de façon écrasante par la matière noire, avec un rapport de masse de l’ordre de 5 000 pour 1 par rapport à sa composante d’hydrogène détectée. 2

Le « juste milieu » attendu par les modèles

Cloud-9 pourrait se trouver dans un régime très particulier. Un halo un peu plus massif aurait vraisemblablement accumulé un gaz plus dense et déclenché la formation d’étoiles. Un halo plus léger, lui, aurait probablement vu son gaz ionisé par le rayonnement ambiant ou arraché. 2

C’est précisément ce type d’objet que prévoit le modèle cosmologique ΛCDM, dans lequel de nombreux halos de faible masse devraient rester sombres, ou presque. Cloud-9 ne constitue pas une détection directe de matière noire, ni une preuve définitive de l’absence totale d’étoiles. Mais les limites observationnelles deviennent suffisamment strictes pour en faire une correspondance empirique particulièrement convaincante avec ces prédictions. 12

Les données du DESI Imaging Legacy Survey avaient déjà contribué aux premières limites optiques. De futurs relevés larges et profonds, en optique comme dans la raie radio de l’hydrogène neutre, permettront de déterminer si Cloud-9 est une exception ou le premier représentant d’une population plus vaste. Les cibles les plus prometteuses devraient être des galaxies naines isolées, riches en gaz et extrêmement pauvres en métaux, ainsi que des nuages compacts de H I comparables. 3