Dans le modèle cosmologique standard, la matière noire est une composante majeure de l’Univers. Cette forme hypothétique de matière permet d’expliquer divers phénomènes comme la courbe de rotation des galaxies et la formation des grandes structures cosmiques. Même si les cosmologistes n’en connaissent pas encore la nature, certaines observations permettent de poser de solides contraintes sur sa dynamique. C’est particulièrement le cas de l’étude des galaxies satellites de la Voie lactée, qui permet aux chercheurs de mieux comprendre les liens entre halos de matière noire et formation des galaxies.
Tout comme les planètes ont des lunes, notre galaxie a des galaxies satellites, et certaines d’entre elles pourraient avoir des galaxies satellites plus petites. À savoir, le Grand Nuage de Magellan (LMC), une galaxie satellite relativement grande visible depuis l’hémisphère Sud, aurait amené avec elle au moins six de ses propres galaxies satellites lors de son approche de la Voie lactée, sur la base de mesures récentes de la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne.
Les astrophysiciens croient que la matière noire est responsable d’une grande partie de cette structure, et maintenant les chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du Department of Energy et du Dark Energy Survey, se sont appuyés sur des observations de galaxies faiblement lumineuses autour de la Voie lactée pour poser des contraintes plus strictes sur la connexion entre les taille et structure des galaxies et des halos de matière noire qui les entourent.
Dans le même temps, ils ont trouvé plus de preuves de l’existence de galaxies satellites du LMC et ont fait une nouvelle prédiction : si les modèles des astrophysiciens sont corrects, la Voie lactée devrait avoir 150 galaxies satellites (ou plus) très faiblement lumineuses en attente de découverte d’ici la prochaine génération de projets, tels que le Legacy Survey of Space and Time de l’Observatoire Vera C. Rubin.
Étudier la matière noire à travers l’observation des galaxies satellites de la Voie lactée
La nouvelle étude, publiée actuellement sur le serveur de prépublication arXiv, fait partie d’un effort plus vaste pour comprendre le fonctionnement de la matière noire à des échelles plus petites que notre galaxie, selon Ethan Nadler, premier auteur de l’étude et astrophysicien au Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) et à l’Université de Stanford.
« Nous savons très bien certaines choses sur la matière noire — combien de matière noire y a-t-il, comment se regroupe-t-elle — mais toutes ces déclarations sont nuancées en disant, oui, c’est ainsi qu’elle se comporte à des échelles plus grandes que la taille de notre groupe local des galaxies. Et puis la question est, est-ce que cela fonctionne sur les plus petites échelles que nous pouvons mesurer ? », déclare Nadler.
Les astronomes savent depuis longtemps que la Voie lactée possède des galaxies satellites, y compris le Grand Nuage de Magellan, qui peut être vu à l’œil nu depuis l’hémisphère Sud, mais le nombre était estimé à une douzaine environ jusqu’à l’an 2000 environ. Ensuite, le nombre de galaxies satellites observées a considérablement augmenté. Grâce au Sloan Digital Sky Survey et aux découvertes plus récentes de projets tels que le Dark Energy Survey (DES), le nombre de galaxies satellites connues est passé à environ 60.
« Pour la première fois, nous pouvons rechercher ces galaxies satellites à travers environ les trois quarts du ciel, et c’est vraiment important pour plusieurs façons différentes d’étudier la matière noire et la formation de galaxies », explique Risa Wechsler, directrice du KIPAC. L’année dernière, par exemple, Wechsler, Nadler et ses collègues ont utilisé des données sur les galaxies satellites en conjonction avec des simulations informatiques pour placer des limites beaucoup plus strictes sur les interactions de la matière noire avec la matière ordinaire.
Mieux comprendre la formation et la dynamique des galaxies satellites
Maintenant, Wechsler, Nadler et l’équipe DES utilisent les données d’une recherche complète sur la majeure partie du ciel pour poser différentes questions, y compris la quantité de matière noire nécessaire pour former une galaxie, combien de galaxies satellites nous devrions nous attendre à trouver autour de la Voie lactée et si les galaxies peuvent amener leurs propres satellites en orbite autour des nôtres — une prédiction clé du modèle le plus populaire de matière noire.
La possibilité de détecter une hiérarchie de galaxies satellites est apparue pour la première fois il y a quelques années lorsque l’équipe du DES a détecté plus de galaxies satellites au voisinage du Grand Nuage de Magellan que ce à quoi elle aurait pu s’attendre si ces satellites étaient répartis de façon aléatoire dans le ciel. Ces observations sont particulièrement intéressantes à la lumière des mesures de Gaia, qui ont indiqué que six de ces galaxies satellites sont arrivées autour de la Voie lactée avec le LMC.
Simuler les liens entre formation galactique et matière noire
Pour étudier plus en détail les satellites du LMC, Nadler et son équipe ont analysé les simulations informatiques de millions d’univers possibles. Ces simulations, à l’origine dirigées par Yao-Yuan Mao, modélisent la formation de la structure de la matière noire qui imprègne la Voie lactée, y compris des détails tels que de plus petits amas de matière noire dans la Voie lactée qui devraient héberger des galaxies satellites.
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Pour relier la matière noire à la formation des galaxies, les chercheurs ont utilisé un modèle flexible qui leur permet de tenir compte des incertitudes dans la compréhension actuelle de la formation des galaxies, y compris la relation entre la luminosité des galaxies et la masse des amas de matière noire dans lesquels elles se forment.
Un effort dirigé par les autres membres de l’équipe DES a produit l’étape finale cruciale : un modèle dont les galaxies satellites sont les plus susceptibles d’être vues par les missions actuelles, étant donné leur position dans le ciel ainsi que leur luminosité, leur taille et leur distance. Ces composants en main, l’équipe a exécuté son modèle avec un large éventail de paramètres et a recherché des simulations dans lesquelles des objets de type LMC tombaient dans l’attraction gravitationnelle d’une galaxie semblable à la Voie lactée.
Des résultats conformes aux observations et aux prédictions théoriques
En comparant ces cas avec des observations galactiques, ils pouvaient déduire une gamme de paramètres astrophysiques, y compris le nombre de galaxies satellites qui auraient dû être marquées avec le LMC. Les résultats étaient conformes aux observations de Gaia : six galaxies satellites devraient actuellement être détectées à proximité du LMC. Les simulations ont également suggéré que le LMC s’est approché de la Voie lactée pour la première fois il y a environ 2.2 milliards d’années, conformément aux mesures de haute précision du mouvement du LMC à partir du télescope spatial Hubble.
En plus des résultats du LMC, l’équipe a également limité la connexion entre les halos de matière noire et la structure des galaxies. Par exemple, dans les simulations qui correspondent le mieux à l’histoire de la Voie lactée et du LMC, les plus petites galaxies que les astronomes pourraient actuellement observer devraient avoir des étoiles avec une masse combinée d’une centaine de soleils et environ un million de fois plus de matière noire. Selon une extrapolation du modèle, les plus faibles galaxies jamais observées pourraient se former en halos jusqu’à cent fois moins massifs que cela.
Et il pourrait y avoir plus de découvertes à venir : si les simulations sont correctes, a déclaré Nadler, il y a environ 100 galaxies satellites supplémentaires — plus du double du nombre déjà découvert — orbitant autour de la Voie lactée. La découverte de ces galaxies aiderait à confirmer le modèle des chercheurs sur les liens entre la matière noire et la formation des galaxies, et imposerait probablement des contraintes plus strictes sur la nature de la matière noire elle-même.
Une galaxie est une grande structure cosmique composée d'un
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plusieurs types, classés selon leur masse et leur morphologie,
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