Quand une petite galaxie s'éloigne trop près de la Voie lactée, la gravité de notre plus grande galaxie l'enroule dedans. Du gaz et des étoiles sont arrachés de la galaxie qui passe alors qu'elle se dirige vers son destin, créant des courants de matière qui s'étendent entre la paire galactique. Ces ruisseaux continuent à arracher les étoiles jusqu'à ce que l'objet infaillant soit complètement consumé. Après la fusion, quelques-uns des derniers signes de l'objet dévoré sont les ruisseaux stellaires qui serpentent dans la Voie lactée, un petit échantillon d'étoiles d'une galaxie disparue.
En plus d’être un témoignage du passé, l’un de ces courants peut constituer la première preuve directe de la formation de grappes de matière noire à petite échelle - le matériau insaisissable censé représenter 85% de toute la matière de l’univers. Une analyse récente d'une traînée d'étoiles révèle qu'elle a interagi avec un objet dense au cours des derniers centaines de millions d'années. Après avoir écarté les suspects les plus probables, les chercheurs ont déterminé que la lacune relativement récente créée dans le cours d'eau pouvait avoir été causée par un petit groupe de matière noire. Si elles sont confirmées, les tourbillons de ce flux stellaire pourraient aider les scientifiques à comprendre les théories concurrentes sur la matière noire et peut-être même à se rapprocher des caractéristiques du matériau mystérieux.
Le flux stellaire connu sous le nom de GD-1 est un mince flux de matériau niché dans le halo galactique, une collection lâche d'étoiles et de gaz entourant le disque de la Voie lactée. En utilisant les données publiées en avril dernier par le télescope spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne, qui est en train de rassembler la carte la plus détaillée jamais réalisée des étoiles de la Voie lactée, les astronomes ont pu utiliser des données de position précises pour reconstituer le mouvement des étoiles dans GD. -1. Détaché d'un nuage de matière, le flux est le dernier vestige d'un objet probablement consommé par notre galaxie au cours des 300 derniers millions d'années - un clin d'œil sur les échelles de temps astronomiques.
Représentation artistique de l'observatoire spatial Gaia de l'ESA, un télescope d'astrométrie conçu pour mesurer les positions et les mouvements des étoiles. (ESA / NASA) Gaia trouva deux petites ruptures dans le flux, la première observation non équivoque de lacunes dans un flux stellaire, ainsi qu'une collection dense d'étoiles appelée un éperon. Ensemble, ces caractéristiques suggèrent qu'un objet petit mais massif a secoué le matériau du flux.
"Je pense que c'est la première preuve dynamique directe de la [structure] à petite échelle de la matière noire", a déclaré Adrian Price-Whelan, astronome au Flatiron Institute de New York. En collaboration avec Ana Bonaca du Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian, Price-Whelan a enquêté sur les nouvelles structures retrouvées dans GD-1 afin de déterminer leur source et a présenté les résultats plus tôt cette année lors de la réunion d'hiver de la American Astronomical Society.
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À environ 33 000 années-lumière (10 kiloparsecs), GD-1 est le plus long flux stellaire du halo galactique. Bien que Price-Whelan et ses collègues aient pu utiliser des modèles pour montrer que l’une des lacunes se formait pendant la génération du flux, l’autre lacune demeurait un mystère. Cependant, avec le puzzle, Gaia a également révélé une solution: l'éperon.
Lorsqu'un objet traverse ou traverse un flux stellaire, il perturbe les étoiles. Price-Whelan compare la perturbation provoquée par un puissant jet d'air soufflant sur un flux d'eau. L'eau - ou les étoiles - poussent vers l'extérieur le long du trajet du perturbateur, créant ainsi un espace vide. Certains se déplacent si vite qu'ils échappent au courant et s'envolent dans l'espace, perdus à jamais. D'autres sont ramenés dans le flux pour former des fonctions de type tourbillonnantes que les astronomes appellent des éperons. Au bout de quelques centaines de millions d’années, la plupart des éperons se fondent dans le cours d’eau, il ne reste que l’écart, bien que certains puissent vivre plus longtemps.
Lorsqu'il s'agit de repérer des structures dans des flux stellaires, Price-Whelan appelle GD-1 "le flux de Goldilocks", car il est au bon endroit. GD-1 se trouve dans les étoiles de la Voie lactée, mais se déplace dans la direction opposée, ce qui permet aux astronomes de repérer plus facilement les étoiles du flux à partir des objets environnants. "Quel que soit l'endroit, la situation est différente de celle de la plupart des autres étoiles de cette partie du ciel", a déclaré Price-Whelan.
Les chercheurs ont modélisé le type d'objets pouvant être responsables de l'éperon relativement nouveau-né repéré dans GD-1. Ils ont déterminé que l'objet responsable devait peser avec une masse comprise entre 1 million et 100 millions de fois la masse du soleil. Ne s'étendant que sur environ 65 années-lumière (20 pc), l'objet aurait été incroyablement dense. L'interaction entre le flux et l'objet dense se serait probablement produite au cours des derniers centaines de millions d'années sur les 13, 8 milliards d'années de la vie de l'univers.
Un diagramme de notre galaxie, la voie lactée. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) La matière noire n'est pas le seul objet qui aurait pu perturber le flux stellaire. Un amas globulaire ou une galaxie naine se déplaçant à proximité aurait également pu créer le vide et l'éperon. Price-Whelan et ses collègues se tournèrent vers tous les objets connus et calculèrent leur orbite, estimant que rien ne s’était approché suffisamment de GD-1 au cours des milliards d’années écoulées pour faire bouger les choses. Une rencontre fortuite avec un trou noir primordial aurait pu faire voler les étoiles du ruisseau, mais cela aurait été un événement extrêmement rare.
Selon les simulations de matière noire qui permettent de petites structures, des dizaines de graines de matière noire sont dispersées dans des galaxies telles que la Voie Lactée. Un flux tel que GD-1 devrait rencontrer au moins une telle semence au cours des 8 derniers milliards d’années, faisant de la matière noire un agent perturbateur beaucoup plus probable sur la base des taux de rencontre que tout autre objet.
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La matière noire constitue le gros de la masse dans l'univers, mais elle n'a jamais été observée directement. Les deux théories principales de son existence sont le modèle de matière noire chaude et le modèle de matière noire froide Lambda (ΛCDM), modèle préféré par la plupart des scientifiques. Sous ΛCDM, la matière noire forme des touffes pouvant atteindre la taille d’une galaxie ou la taille d’une canette de soda. Les modèles chauds de matière noire suggèrent que le matériau contient des particules moins massives et ne possède pas les structures de la taille d'une canette suggérées par le modèle ΛCDM. Trouver des preuves de structures de matière noire à petite échelle pourrait aider à éliminer certains modèles et à commencer à cerner certaines des caractéristiques de la matière séduisante.
"Les cours d'eau pourraient être la seule avenue que nous pourrions [utiliser pour] étudier la masse la plus basse de ce que fait la matière noire", dit Price-Whelan. "Si nous voulons pouvoir confirmer, rejeter ou écarter différentes théories sur la matière noire, nous devons vraiment savoir ce qui se passe au [bas] bout."
Les données de Gaia ont aidé à identifier les étoiles de l'éperon, mais elles ne sont pas assez détaillées pour comparer les différences de vitesse entre elles et les étoiles du ruisseau, ce qui pourrait aider à confirmer que la matière noire a perturbé la structure. Price-Whelan et ses collègues souhaitent utiliser le télescope spatial Hubble de la NASA pour étudier plus en détail le mouvement des étoiles faibles dans GD-1. Bien que Gaia ait ouvert la porte à un examen à grande échelle du mouvement des étoiles sur la Voie Lactée, Price-Whelan affirme qu’elle ne peut pas rivaliser avec le HST en ce qui concerne les étoiles très faibles. "Vous pouvez percer beaucoup plus profondément avec un télescope dédié comme Hubble", dit-il.
Les différences dans la manière dont les étoiles du flux et de l'épi se déplacent pourraient aider les astronomes à déterminer la quantité d'énergie transportée par l'objet perturbateur, ainsi que permettre aux chercheurs de calculer son orbite. Ces informations pourraient être utilisées pour localiser le bloc de matière noire perturbateur et étudier son environnement immédiat.
Outre une étude plus approfondie de GD-1, les astronomes ont l’intention d’appliquer les mêmes techniques que celles fournies par les données de Gaia à certains des plus de 40 autres flux entourant la Voie lactée. Repérer des pointes et des brèches dans d'autres ruisseaux et les attacher à la matière noire pourrait améliorer notre compréhension de la manière dont la substance mystérieuse interagit avec la galaxie visible.
Après des décennies de perplexité sur le mystère de la matière noire, les lacunes et les piquets dans des courants stellaires comme GD-1 peuvent enfin aider à révéler les secrets de la substance qui constitue la majeure partie de l'univers. «C’est l’une des choses les plus excitantes de Gaia», déclare Price-Whelan.
