Des astronomes utilisant les données des télescopes de la NASA et de l’ESA (Agence spatiale européenne) ont publié une nouvelle carte tout-ciel de la région ultrapériphérique de notre galaxie. [Editor’s note: See Related Multimedia link below.] Connue sous le nom de halo galactique, cette zone se trouve à l’extérieur des bras en spirale tourbillonnants qui forment le disque central reconnaissable de la Voie lactée et est peu peuplée d’étoiles. Bien que le halo puisse sembler presque vide, il est également prédit qu’il contiendra un réservoir massif de matière noire, une substance mystérieuse et invisible censée constituer l’essentiel de toute la masse de l’univers.
Les données de la nouvelle carte proviennent de la mission Gaia de l’ESA et du Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer de la NASA, ou NEOWISE, qui ont fonctionné de 2009 à 2013 sous le nom de WISE. L’étude utilise les données collectées par l’engin spatial entre 2009 et 2018.
La nouvelle carte révèle comment une petite galaxie appelée le Grand Nuage de Magellan (LMC) – ainsi nommée parce qu’elle est la plus grande des deux galaxies naines en orbite autour de la Voie lactée – a traversé le halo galactique de la Voie lactée comme un navire dans l’eau, son la gravité créant un sillage dans les étoiles derrière elle. Le LMC est situé à environ 160 000 années-lumière de la Terre et représente moins du quart de la masse de la Voie lactée.
Bien que les parties internes du halo aient été cartographiées avec un haut niveau de précision, c’est la première carte à fournir une image similaire des régions extérieures du halo, où se trouve le sillage – environ 200000 années-lumière à 325000 années-lumière du centre galactique. Des études antérieures ont fait allusion à l’existence du sillage, mais la carte du ciel entier confirme sa présence et offre une vue détaillée de sa forme, de sa taille et de son emplacement.
Cette perturbation du halo permet également aux astronomes d’étudier quelque chose qu’ils ne peuvent pas observer directement: la matière noire. Bien qu’elle n’émette, ne réfléchisse ni n’absorbe la lumière, l’influence gravitationnelle de la matière noire a été observée dans tout l’univers. On pense qu’il crée un échafaudage sur lequel les galaxies sont construites, de sorte que sans lui, les galaxies se sépareraient en tournant. On estime que la matière noire est cinq fois plus commune dans l’univers que toute la matière qui émet et / ou interagit avec la lumière, des étoiles aux planètes en passant par les nuages de gaz.
Bien qu’il existe plusieurs théories sur la nature de la matière noire, toutes indiquent qu’elle devrait être présente dans le halo de la Voie lactée. Si tel est le cas, alors que le LMC navigue dans cette région, il devrait également laisser un sillage dans la matière noire. On pense que le sillage observé dans la nouvelle carte stellaire est le contour de ce sillage de matière noire; les étoiles sont comme des feuilles à la surface de cet océan invisible, leur position se déplaçant avec la matière noire.
L’interaction entre la matière noire et le Grand Nuage de Magellan a de grandes implications pour notre galaxie. Alors que le LMC tourne autour de la Voie lactée, la gravité de la matière noire traîne sur le LMC et le ralentit. Cela réduira de plus en plus l’orbite de la galaxie naine, jusqu’à ce que la galaxie entre finalement en collision avec la Voie lactée dans environ 2 milliards d’années. Ces types de fusions pourraient être un moteur clé de la croissance de galaxies massives à travers l’univers. En fait, les astronomes pensent que la Voie lactée a fusionné avec une autre petite galaxie il y a environ 10 milliards d’années.
“Ce vol de l’énergie d’une petite galaxie n’est pas seulement la raison pour laquelle le LMC fusionne avec la Voie lactée, mais aussi pourquoi tout les fusions de galaxies se produisent “, a déclaré Rohan Naidu, étudiant au doctorat en astronomie à l’Université de Harvard et co-auteur du nouvel article.” Le sillage sur notre carte est une très belle confirmation que notre image de base de la fusion des galaxies est sur le point! “
Une opportunité rare
Les auteurs de l’article pensent également que la nouvelle carte – avec des données supplémentaires et des analyses théoriques – peut fournir un test pour différentes théories sur la nature de la matière noire, par exemple si elle se compose de particules, comme la matière régulière, et ce que le les propriétés de ces particules sont.
«Vous pouvez imaginer que le sillage derrière un bateau sera différent si le bateau navigue dans l’eau ou dans le miel», a déclaré Charlie Conroy, professeur à l’Université Harvard et astronome au Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, qui ont co-rédigé l’étude. “Dans ce cas, les propriétés du sillage sont déterminées par la théorie de la matière noire que nous appliquons.”
Conroy a dirigé l’équipe qui a cartographié les positions de plus de 1 300 étoiles dans le halo. Le défi est venu d’essayer de mesurer la distance exacte de la Terre à une grande partie de ces étoiles: il est souvent impossible de déterminer si une étoile est faible et proche ou brillante et loin. L’équipe a utilisé les données de la mission Gaia de l’ESA, qui fournit l’emplacement de nombreuses étoiles dans le ciel, mais ne peut pas mesurer les distances par rapport aux étoiles dans les régions extérieures de la Voie lactée.
Après avoir identifié des étoiles très probablement situées dans le halo (car elles n’étaient pas manifestement à l’intérieur de notre galaxie ou du LMC), l’équipe a recherché des étoiles appartenant à une classe d’étoiles géantes avec une “signature” lumineuse spécifique détectable par NEOWISE. Connaître les propriétés de base des étoiles sélectionnées a permis à l’équipe de déterminer leur distance par rapport à la Terre et de créer la nouvelle carte. Il trace une région commençant à environ 200 000 années-lumière du centre de la Voie lactée, ou à peu près à l’endroit où le sillage du LMC devait commencer, et s’étend sur environ 125 000 années-lumière au-delà.
Conroy et ses collègues ont été inspirés par la recherche du sillage de LMC après avoir découvert une équipe d’astrophysiciens de l’Université de l’Arizona à Tucson qui fabrique des modèles informatiques prédisant à quoi devrait ressembler la matière noire dans le halo galactique. Les deux groupes ont travaillé ensemble sur la nouvelle étude.
Un modèle de l’équipe de l’Arizona, inclus dans la nouvelle étude, a prédit la structure générale et l’emplacement spécifique du sillage des étoiles révélé dans la nouvelle carte. Une fois que les données ont confirmé que le modèle était correct, l’équipe a pu confirmer ce que d’autres enquêtes ont également laissé entendre: que le LMC est probablement sur sa première orbite autour de la Voie lactée. Si la plus petite galaxie avait déjà fait plusieurs orbites, la forme et l’emplacement du sillage seraient significativement différents de ce qui a été observé. Les astronomes pensent que le LMC s’est formé dans le même environnement que la Voie lactée et une autre galaxie voisine, M31, et qu’il est sur le point d’achever une longue première orbite autour de notre galaxie (environ 13 milliards d’années). Sa prochaine orbite sera beaucoup plus courte en raison de son interaction avec la Voie lactée.
“Confirmer notre prédiction théorique avec des données d’observation nous indique que notre compréhension de l’interaction entre ces deux galaxies, y compris la matière noire, est sur la bonne voie”, a déclaré Nicolás Garavito-Camargo, étudiant au doctorat en astronomie à l’Université d’Arizona, qui a dirigé les travaux sur le modèle utilisé dans l’article.
La nouvelle carte offre également aux astronomes une occasion rare de tester les propriétés de la matière noire (l’eau ou le miel théorique) dans notre propre galaxie. Dans la nouvelle étude, Garavito-Camargo et ses collègues ont utilisé une théorie populaire de la matière noire appelée matière noire froide qui correspond relativement bien à la carte des étoiles observée. Maintenant, l’équipe de l’Université de l’Arizona exécute des simulations qui utilisent différentes théories de la matière noire pour voir laquelle correspond le mieux au sillage observé dans les étoiles.
«C’est un ensemble de circonstances vraiment spéciales qui se sont réunies pour créer ce scénario qui nous permet de tester nos théories sur la matière noire», a déclaré Gurtina Besla, co-auteur de l’étude et professeur agrégé à l’Université de l’Arizona. “Mais nous ne pouvons réaliser ce test qu’avec la combinaison de cette nouvelle carte et des simulations de matière noire que nous avons construites.”
Lancé en 2009, le vaisseau spatial WISE a été mis en hibernation en 2011 après avoir terminé sa mission principale. En septembre 2013, la NASA a réactivé le vaisseau spatial dans le but principal de rechercher des objets géocroiseurs, ou objets géocroiseurs, et la mission et le vaisseau spatial ont été renommés NEOWISE. Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud a géré et exploité WISE pour la Direction des missions scientifiques de la NASA. La mission a été sélectionnée dans le cadre du programme Explorers de la NASA géré par le Goddard Space Flight Center de l’agence à Greenbelt, Maryland. NEOWISE est un projet du JPL, une division de Caltech, et de l’Université de l’Arizona, soutenu par le bureau de coordination de la défense planétaire de la NASA.
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