La relation de Tully-Fisher

Une découverte expérimentale essentielle mais encore inexpliquée.

La proposition initiale de Tully[1] et Fisher [01 ; 1977] établit une corrélation entre le profil hydrogène et la magnitude absolue (ou le diamètre) des galaxies spirales.

• Cette corrélation permet de mesurer les distances entre nous et lesdites galaxies.
• Elle a été établie avec des éléments du groupe local, de M81 et de M101.
• Elle a permis d’estimer la distance nous séparant de la constellation de la Vierge et de celle d’Urs Major.
• Elle se base sur la connaissance déjà acquise d’un lien entre la luminosité intrinsèque d’une galaxie et sa masse totale (Roberts, 1969) :

Masse ~ Luminosité

La relation résulte de mesures astronomiques et elle apparaît souvent sous un formalisme liant la luminosité d’une galaxie et la vitesse des étoiles gravitant autour du centre de celle-ci :

L ~ v⁴

L’intérêt de la relation réside dans le fait qu’elle établit un lien entre (i) les composantes lumineuses (rayonnant de … ou interagissant avec … la lumière), typiquement la matière baryonique visible habituelle et (ii) la vitesse de rotation des étoiles dans le halo galactique qui, elle, rend forcément compte de l’activité gravitationnelle totale du halo.

Les passionnés du sujet découvriront avec intérêt le point de vue du Dr R. B. Tully sur Scholarpédia [02 ; 2013]. En effet, dans son historique, l’auteur fait remonter l’idée à Opik [03 ; 1922]. Certains reconnaitront là les prémisses des idées justifiant des modifications de la dynamique newtonienne (MOND). Cette branche constitue une autre proposition d’explication des courbes de rotation des étoiles. Une idée qui sera promue un demi-siècle plus tard par M. Milgrom en 1983 ; voir aussi [04 ; 2016].

En dépit de très nombreuses tentatives, la relation de Tully-Fisher reste débattue parce qu’elle n’a toujours pas d’explication théorique satisfaisante et définitive.

1. Comme la vitesse de rotation rend forcément compte d’une activité gravitationnelle, certains auteurs ont proposé de relier cette vitesse à la masse du halo et suggéré d’examiner, voir par exemple [05 ; 2000] :

M ~ v?

L’étude aboutit à la conclusion que la proportion en gaz moléculaire de la masse totale du halo des galaxies tardives n’est pas significative. Elle met en évidence le comportement particulier des naines et, plus généralement des galaxies à champs faibles ou à faibles vitesses de rotation (< 90 km/s) vis-à-vis de la relation de Tully-Fisher. Elle conclut à l’existence d’une relation du type :

M ~ v⁴

… et à l’absence probable d’une composante sombre dans la masse baryonique, que celle-ci corresponde à une masse gazeuse froide, à un gaz ionisé extrêmement chaud ou à des MACHOS. Autrement dit, ce travail écarte l’hypothèse selon laquelle ce qui a été baptisée « matière sombre » corresponde à une particule.

2. Comme le spectre électromagnétique (EM) s’étend de l’infra-rouge (IR) à l’ultra-violet (UV) il semble également logique de se demander si le ratio liant l’activité lumineuse d’un halo galactique à sa masse gravitationnelle présente une dépendance avec une fréquence lumineuse considérée ? C’est la question à laquelle l’article [06 ; 2011] a tenté de donner des éléments de réponse. La relation de Tully-Fisher ne concerne pas que les galaxies spirales. 

Une partie des équipes de recherche se tourne aujourd’hui vers la recherche de nouvelles explications des courbes de rotation.

Parmi ces pistes, l’hypothèse d’une matière sombre superfluide ; elle conclut à la quasi-impossibilité de faire coïncider cette hypothèse avec les prédictions de la branche privilégiant les modifications de la dynamique newtonienne [07 ; 2022].

Certaines approches très récentes restent dans le cadre relativiste en ajustant le formalisme de l’action de sorte que l’approche MOND et le modèle cosmologique standard deviennent les limites du modèle ; par exemple : [08 ; 2022].

Pour ce qui me concerne, considérant que :

1. l’effet Thirring-Lense résultant de la mise en rotation spontanée sous l’effet d’une auto-agrégation gravitationnelle des poussières galactiques et
2. l’existence d’ondes massives dites de Klein-Gordon se propageant « en chute libre »,

… se caractérisent par un écart caractéristique à la métrique de Minkowski à laquelle les régions vides sont traditionnellement rapportées, je propose d’examiner l’hypothèse apparemment iconoclaste identifiant les deux écarts.

Il se trouve que la comparaison livre une relation compatible avec les connaissances acquises sur la dynamique des galaxies spirales

… dès lors qu’on cherche à construire des états quantiques à partir des noyaux des décompositions non-triviales des moments angulaires déformés.

C’est ce que vous pouvez découvrir dans un document écrit en anglais sur la page « The Tully-Fisher relation ».

© Thierry PERIAT.

[01] R. B. Tully & J. R. Fisher: A new method determining distances to galaxies, Astron. Astrophys. 54, 661-673, (1977), 13 pages.

[02] R. B. Tully: “Tully-Fisher relation” on scholarpedia.org/article/Tully-Fisher_relation (site non sécurisé) ; this page was last modified on 22 October 2013, at 07:45.

[03] Opik, E. : An estimate of the Andromeda Nebula; Astrophysical Journal, 55, 406-410 (1922).

[04] Scale invariance at low acceleration (aka MOND) and the dynamical anomalies in the universe; arXiv:1605.007458v2 [astro-ph.GA], 8 June 2016.

[05] The baryonic Tully-Fisher relation; arXiv: astro-ph/0003001v1, 1 March 2000.

[06] GHASP : an Ha kinematic survey of spiral and irregular galaxies - IX. The NIR, stellar and baryonic Tully-Fisher relations ; arXiv : 1106.0505v1 [astro-ph.CO], 2 June 2011.

[07] Galactic light-to-mass ratio with superfluid dark matter; arXiv:2201.07282v2 [astro-ph.GA], 3 August 2022.

[08] Aether scalar tensor theory: Linear stability on Minkowski space; arXiv:2109.13287v2 [gr-qc] 27 November 2022.