Depuis des milliards d’années, un ancien amas d’étoiles se désagrège lentement, perdant des étoiles qui forment maintenant un fin ruban à travers l’espace. Cette structure délicate offre aux astronomes un nouveau moyen d’explorer l’un des plus grands mystères de l’univers.
Une équipe de recherche internationale, incluant un astrophysicien de l’Université Northwestern, a identifié le premier flot stellaire de ce type jamais observé en dehors de la Voie lactée. Les astronomes avaient longtemps prédit que de tels flots devraient exister autour d’autres galaxies, mais leur extrême faiblesse les a rendus difficiles à détecter.
Le flot récemment découvert offre également aux scientifiques un outil inhabituel pour étudier la matière noire, qui demeure l’une des grandes questions non résolues de l’astrophysique. En analysant la forme du flot, les chercheurs ont reconstruit le champ gravitationnel de sa galaxie hôte et ont utilisé ces informations pour déterminer comment la matière noire invisible a influencé les trajectoires des étoiles.
Ces découvertes pourraient finalement aider les scientifiques à examiner comment la matière noire est distribuée à travers différentes galaxies et dans l’univers.
Cette étude a été publiée le 12 août dans la revue Nature.
« Les étoiles d’un flot stellaire suivent presque toutes la même orbite, et cette orbite est façonnée par la gravité de la galaxie », a déclaré Tjitske Starkenburg de Northwestern, co-auteur de l’étude. « En modélisant cette gravité, nous pouvons estimer la masse totale de la galaxie. Nous savons déjà à peu près combien de cette masse provient de la matière visible comme les étoiles, donc le reste doit être de la matière noire. »
Starkenburg, expert en astronomie extragalactique, est professeur adjoint de recherche au Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaire en astrophysique de Northwestern. L’étude a été co-dirigée par Julie Kiel Holm de l’Université de Copenhague et Sarah Pearson de l’Université technique du Danemark.
Premier flot stellaire découvert au-delà de la Voie lactée
Les amas globulaires sont des groupes d’étoiles densément packés, maintenus ensemble par la gravité. À me qu’un de ces amas orbite autour de sa galaxie hôte, la force gravitationnelle de la galaxie peut lentement arracher des étoiles de celui-ci.
Ces étoiles ne se dispersent pas simplement dans toutes les directions. Au contraire, elles continuent généralement sur une orbite presque identique, créant de longs flots stellaires fins qui conservent des informations sur les forces gravitationnelles qu’elles ont subies.
Les astronomes ont identifié des dizaines de flots produits par des amas globulaires à l’intérieur de la Voie lactée. Cependant, jusqu’à présent, aucun flot comparable n’avait été détecté dans une autre galaxie. De telles structures sont généralement si faibles qu’elles disparaissent derrière la lumière de leurs galaxies hôtes.
La percée est survenue grâce à des observations archivées du télescope spatial Hubble de la NASA, présentées par les co-auteurs de l’étude David Sand et Catherine Fielder, tous deux astronomes à l’Université de l’Arizona. Pendant que David Hendel, co-auteur de l’étude, examinait des images de la galaxie ultra-diffuse UGC 9050-Dw1, il a remarqué un arc étroit et faible qui ressemblait à un flot stellaire.
UGC 9050-Dw1 se trouve à environ 115 millions d’années-lumière de la Terre. Étant donné que la galaxie contient relativement peu d’étoiles, elle a fourni un fond inhabituellement sombre qui a facilité la distinction du flot faible.
Une nouvelle méthode pour mer la matière noire
L’importance de cette découverte va au-delà de la simple identification du flot. Les chercheurs ont désormais montré pour la première fois qu’un flot stellaire d’amas globulaires peut être utilisé pour étudier la matière noire dans une galaxie au-delà de la Voie lactée.
La matière noire représente environ 85 % de toute la matière de l’univers. Comme elle n’émet ni ne réfléchit la lumière, les astronomes ne peuvent pas la voir directement. Ils détectent plutôt ses effets par l’influence gravitationnelle qu’elle exerce sur les étoiles, les galaxies et d’autres objets visibles.
Une fois le flot identifié, l’équipe a réalisé des milliers de simulations informatiques. Les chercheurs ont testé différentes combinaisons de caractéristiques d’amas globulaires et de distributions possibles de matière noire pour déterminer quels scénarios pouvaient reproduire l’apparence observée du flot.
Les modèles qui correspondaient le plus étroitement aux observations ont fourni de nouvelles estimations de la masse totale de UGC 9050-Dw1 et ont montré comment cette masse est distribuée dans la galaxie. Les résultats ont indiqué que UGC 9050-Dw1 contient une grande quantité de matière noire, comme les astronomes s’y attendaient pour une galaxie ultra-diffuse.
« Nos résultats sont cohérents avec les études précédentes et ce qu’elles ont montré sur la matière noire dans cette galaxie ultra-diffuse », a déclaré Kiel Holm. « Nous le mesurons avec un outil complètement nouveau pour ce type de galaxie, démontrant que cette méthode fonctionne également au-delà de notre propre galaxie. »
Les flots stellaires pourraient révéler la structure de la matière noire
Bien que l’analyse actuelle se concentre sur une seule galaxie, cette découverte pourrait conduire à des recherches de flots stellaires similaires autour de différents types de galaxies. Avec un échantillon plus large, les astronomes pourraient apprendre beaucoup plus sur le comportement de la matière noire et sa distribution.
Les flots stellaires fins pourraient être particulièrement précieux, car de petites concentrations de matière noire peuvent potentiellement les perturber, produisant des lacunes ou des amas visibles.
« Les flots stellaires fins peuvent développer des lacunes ou des amas lorsque de petites concentrations de matière noire les traversent », a déclaré Starkenburg. « Les astronomes ont longtemps débattu de la question de savoir si nous avons vu cela se produire dans des flots au sein de la Voie lactée. Si nous pouvons confirmer que c’est ce qui cause ces caractéristiques, cela nous donnera un moyen entièrement nouveau de tester comment la matière noire est distribuée — et finalement en apprendre davantage sur sa nature fondamentale. »
De nouveaux télescopes pourraient découvrir beaucoup plus de flots
Les observatoires futurs pourraient rendre ces structures insaisissables beaucoup plus faciles à trouver. La mission Euclid de l’Agence spatiale européenne et le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA sont conçus pour sonder des régions du ciel beaucoup plus vastes que Hubble, augmentant ainsi la probabilité que les astronomes détectent des flots stellaires autour d’autres galaxies.
« Il est passionnant que nous ayons découvert un flot stellaire fin autour d’une galaxie autre que la nôtre avec des données déjà existantes du télescope spatial Hubble et que nous l’ayons confirmé avec des données de télescopes au sol », a déclaré Starkenburg. « Cela rend très prometteuses les nouvelles télescopes qui deviennent disponibles, y compris le télescope spatial Roman, qui peut voir une zone 100 fois plus grande que celle de Hubble. »
L’étude, intitulée « Preuve du premier flot stellaire d’amas globulaires au-delà de la Voie lactée », a été soutenue par VILLUM FONDEN (numéro de prix VIL53081) et l’Union européenne (numéro de prix BeyondSTREAMS 101115754). Starkenburg reconnaît également le soutien de la NSF (numéro de subvention AST-2510183) et de la NASA (numéros de subvention 22-ROMAN22-0055 et 22-ROMAN22-0013).
