Les étoiles voyagent plus lentement aux confins de la Voie lactée

Les nouveaux résultats sont basés sur l’analyse par l’équipe des données prises par les instruments Gaia et APOGEE. Gaia est un télescope spatial en orbite qui suit l'emplacement, la distance et le mouvement précis de plus d'un milliard d'étoiles dans toute la Voie lactée, tandis qu'APOGEE est une étude au sol. Les physiciens ont analysé les mesures de Gaia sur plus de 33 000 étoiles, y compris certaines des étoiles les plus éloignées de la galaxie, et ont déterminé la « vitesse circulaire » de chaque étoile, c'est-à-dire la vitesse à laquelle une étoile tourne dans le disque galactique, compte tenu de la distance entre l'étoile et le centre de la galaxie. .

Les scientifiques ont tracé la vitesse de chaque étoile en fonction de sa distance pour générer une courbe de rotation – un graphique standard en astronomie qui représente la vitesse à laquelle la matière tourne à une distance donnée du centre d'une galaxie. La forme de cette courbe peut donner aux scientifiques une idée de la quantité de matière visible et noire répartie dans une galaxie.

“Ce qui nous a vraiment surpris, c'est que cette courbe est restée plate, plate, plate jusqu'à une certaine distance, puis elle a commencé à s'effondrer”, explique Lina Necib, professeur adjoint de physique au MIT. “Cela signifie que les étoiles extérieures tournent un peu plus lentement que prévu, ce qui est un résultat très surprenant.”

L'équipe a traduit la nouvelle courbe de rotation en une distribution de matière noire qui pourrait expliquer le ralentissement des étoiles extérieures, et a découvert que la carte résultante produisait un noyau galactique plus léger que prévu. Autrement dit, le centre de la Voie lactée pourrait être moins dense et contenir moins de matière noire que ne le pensaient les scientifiques.

“Cela met ce résultat en tension avec d'autres mesures”, explique Necib. “Il se passe quelque chose de louche quelque part, et c'est vraiment excitant de comprendre où cela se trouve, d'avoir une image vraiment cohérente de la Voie Lactée.”

L'équipe rend compte de ses résultats ce mois-ci dans le Avis mensuels du Royal Society Journal. Les co-auteurs de l'étude au MIT, dont Necib, sont les premiers auteurs Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers et Anna Frebel.

“Dans le néant”

Comme la plupart des galaxies de l’univers, la Voie lactée tourne comme l’eau dans un tourbillon, et sa rotation est entraînée en partie par toute la matière qui tourbillonne à l’intérieur de son disque. Dans les années 1970, l’astronome Vera Rubin a été la première à observer que les galaxies tournent d’une manière qui ne peut être pilotée uniquement par la matière visible. Elle et ses collègues ont mesuré la vitesse circulaire des étoiles et ont découvert que les courbes de rotation qui en résultaient étaient étonnamment plates. Autrement dit, la vitesse des étoiles est restée la même dans toute une galaxie, plutôt que de diminuer avec la distance. Ils ont conclu qu’un autre type de matière invisible devait agir sur les étoiles lointaines pour leur donner une impulsion supplémentaire.

Les travaux de Rubin sur les courbes de rotation ont été l'une des premières preuves solides de l'existence de la matière noire, une entité invisible et inconnue dont on estime qu'elle dépasse toutes les étoiles et autres matières visibles de l'univers.

Depuis lors, les astronomes ont observé des courbes plates similaires dans des galaxies lointaines, confirmant ainsi la présence de matière noire. Ce n'est que récemment que les astronomes ont tenté de tracer la courbe de rotation des étoiles dans notre propre galaxie.

“Il s'avère qu'il est plus difficile de mesurer une courbe de rotation lorsque l'on est assis à l'intérieur d'une galaxie”, note Ou.

En 2019, Anna-Christina Eilers, professeur adjoint de physique au MIT, a travaillé à tracer la courbe de rotation de la Voie lactée, en utilisant un précédent lot de données publiées par le satellite Gaia. Cette publication de données incluait des étoiles situées jusqu'à 25 kiloparsecs, soit environ 81 000 années-lumière, du centre de la galaxie.

Sur la base de ces données, Eilers a observé que la courbe de rotation de la Voie lactée semblait être plate, bien qu'avec un léger déclin, semblable à celle d'autres galaxies lointaines, et par déduction, la galaxie contenait probablement une forte densité de matière noire en son noyau. Mais cette vision a maintenant changé lorsque le télescope a publié un nouveau lot de données, incluant cette fois des étoiles situées jusqu'à 30 kiloparsecs, soit près de 100 000 années-lumière du noyau de la galaxie.

“À ces distances, nous sommes juste au bord de la galaxie, là où les étoiles commencent à disparaître”, explique Frebel. “Personne n'avait exploré la façon dont la matière se déplace dans cette galaxie extérieure, où nous sommes réellement dans le néant.”

Des tensions étranges

Frebel, Necib, Ou et Eilers ont sauté sur les nouvelles données de Gaia, cherchant à étendre la courbe de rotation initiale d'Eilers. Pour affiner leur analyse, l'équipe a complété les données de Gaia avec des mesures d'APOGEE – l'expérience d'évolution galactique de l'observatoire Apache Point, qui mesure les propriétés extrêmement détaillées de plus de 700 000 étoiles de la Voie lactée, telles que leur luminosité, leur température et leur composition élémentaire.

“Nous introduisons toutes ces informations dans un algorithme pour tenter d'apprendre des connexions qui peuvent ensuite nous donner de meilleures estimations de la distance d'une étoile”, explique Ou. “C'est ainsi que nous pouvons atteindre de plus grandes distances.”

L'équipe a établi les distances précises de plus de 33 000 étoiles et a utilisé ces mesures pour générer une carte tridimensionnelle des étoiles dispersées à travers la Voie Lactée jusqu'à environ 30 kiloparsecs. Ils ont ensuite incorporé cette carte dans un modèle de vitesse circulaire, pour simuler la vitesse à laquelle une étoile doit se déplacer, compte tenu de la répartition de toutes les autres étoiles de la galaxie. Ils ont ensuite tracé la vitesse et la distance de chaque étoile sur un graphique pour produire une courbe de rotation mise à jour de la Voie Lactée.

“C'est là que l'étrangeté est apparue”, dit Necib.

Au lieu de constater une légère baisse comme les courbes de rotation précédentes, l’équipe a observé que la nouvelle courbe a chuté plus fortement que prévu à l’extrémité extérieure. Ce ralentissement inattendu suggère que même si les étoiles peuvent se déplacer tout aussi rapidement sur une certaine distance, elles ralentissent soudainement sur les distances les plus éloignées. Les étoiles situées à la périphérie semblent voyager plus lentement que prévu.

Lorsque l’équipe a traduit cette courbe de rotation en quantité de matière noire qui doit exister dans toute la galaxie, elle a découvert que le noyau de la Voie lactée pourrait contenir moins de matière noire que ce qui était estimé précédemment.

“Ce résultat est en contradiction avec d'autres mesures”, explique Necib. “Une véritable compréhension de ce résultat aura de profondes répercussions. Cela pourrait conduire à davantage de masses cachées juste au-delà du bord du disque galactique, ou à une reconsidération de l'état d'équilibre de notre galaxie. Nous cherchons à trouver ces réponses dans les travaux à venir, en utilisant des données de haute précision. simulations de résolution de galaxies semblables à la Voie lactée.

Cette recherche a été financée, en partie, par la National Science Foundation.