Depuis la naissance de l'astronomie moderne, les scientifiques ont cherché à déterminer toute l'étendue de la galaxie de la Voie lactée et à en savoir plus sur sa structure, sa formation et son évolution. À l'heure actuelle, les astronomes estiment qu'il a un diamètre de 100 000 à 180 000 années-lumière et se compose de 100 à 400 milliards d'étoiles - bien que certaines estimations indiquent qu'il pourrait y en avoir jusqu'à 1 billion.
Et pourtant, même après des décennies de recherches et d'observations, il y a encore beaucoup de choses que nos astronomes de galaxie ne savent pas. Par exemple, ils essaient toujours de déterminer à quel point la Voie lactée est massive et les estimations varient considérablement. Dans une nouvelle étude, une équipe de scientifiques internationaux présente une nouvelle méthode de pesée de la galaxie basée sur la dynamique des galaxies satellites de la Voie lactée.
L’étude, intitulée «La masse de la voie lactée à partir de la dynamique des satellites», a récemment paru dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. L'étude était dirigée par Thomas Callingham de l'Institut de cosmologie computationnelle de l'Université de Durham et comprenait des membres du Massachusetts Institute of Technology (MIT), du Heidelberg Institute for Theoretical Studies et de plusieurs universités.
Comme ils l'indiquent dans leur étude, la masse de la Voie lactée est fondamentale pour notre compréhension de l'astrophysique. Non seulement il est important de placer notre galaxie dans le contexte de la population générale des galaxies, mais il joue également un rôle majeur pour aborder certains des plus grands mystères qui découlent de nos théories astrophysiques et cosmologiques actuelles.
Ceux-ci incluent les subtilités de la formation des galaxies, les divergences avec le modèle Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM) actuel, les théories alternatives sur la nature de la matière noire et la structure à grande échelle de l'Univers. De plus, les études précédentes ont été entravées par un certain nombre de facteurs, notamment le fait que le halo de matière noire de la Voie lactée (qui constitue la majeure partie de sa masse) ne peut pas être observé directement.
Un autre problème majeur est le fait qu'il est difficile de mesurer l'étendue et la masse de la Voie lactée parce que nous y sommes. En conséquence, des études antérieures qui ont tenté de déduire la masse de notre galaxie ont abouti à des estimations de masse allant d'environ 500 milliards à 2,5 trillions de fois la masse de notre Soleil (masses solaires). Comme Callingham l'a expliqué à Space Magazine par e-mail, une approche raffinée était nécessaire:
«La majorité de la galaxie est dans son halo de matière noire, qui ne peut pas être directement observé. Au lieu de cela, nous inférons ses propriétés à travers des observations de divers traceurs dynamiques qui ressentent les effets gravitationnels de la matière noire - tels que les populations stellaires, les amas globulaires, les vapeurs et les galaxies satellites. La plupart d'entre eux se trouvent au centre d'une notre galaxie dans le disque galactique (à ~ 10kpc) et le halo stellaire (~ 15kpc) qui peuvent donner de bonnes estimations de masse de la région intérieure. Cependant, le halo DM atteint ~ 200 kpc, et pour cette raison, nous avons choisi de nous concentrer sur les galaxies satellites, comme l'un des seuls traceurs qui sondent ces parties extérieures de la galaxie. »
Pour les besoins de son étude, l’équipe s’est appuyée sur les données de la deuxième version des données du satellite Gaia (version DR2) pour imposer de meilleures contraintes sur la masse de la Voie lactée. La mission Gaia, qui a fourni plus d'informations que jamais sur notre galaxie, comprend la position et les mouvements relatifs d'innombrables étoiles dans la Voie lactée - y compris celles qui se trouvent dans les galaxies satellites. Comme l'a indiqué Callingham, cela s'est avéré très utile pour limiter la masse de la Voie lactée:
«Nous comparons les propriétés orbitales Énergie et Moment angulaire des galaxies satellites MW à celles trouvées dans les simulations. Nous avons utilisé les dernières observations des satellites MW du récent ensemble de données Gaia DR2 et un échantillon de galaxies et de galaxies satellites appropriées des simulations EAGLE, une simulation de pointe a été menée à Durham avec un grand volume et une physique baryonique hydrodynamique complète. »
Le logiciel EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments), qui a été développé par l'Institut de cosmologie computationnelle de l'Université de Durham, modélise la formation de structures dans un volume cosmologique mesurant 100 mégaparsecs d'un côté (plus de 300 millions d'années-lumière). Cependant, l'utilisation de ce logiciel pour déduire la masse de la Voie lactée a présenté certains défis.
"Un défi à cela est l'échantillon limité de galaxies de taille MW dans EAGLE (ou même toute simulation)", a déclaré Callingham. «Pour aider cela, nous utilisons une relation d'échelle de masse pour mettre à l'échelle notre échantillon total de galaxies pour qu'il soit de la même masse. Cela nous permet d'utiliser efficacement plus de notre ensemble de données et améliore considérablement nos statistiques. Notre méthode a ensuite été rigoureusement testée en trouvant la masse des galaxies simulées à partir d'EAGLE et des simulations Auriga - une suite indépendante de simulations haute résolution. Cela garantit que notre estimation de masse est robuste et comporte des erreurs réalistes (quelque chose avec lequel le domaine a parfois du mal à cause d'hypothèses analytiques).
De là, ils ont découvert que la masse totale des halos de la Voie lactée était d'environ 1,04 x 1012 (plus de 1 billion) Masses solaires, avec une marge d'erreur de 20%. Cette estimation impose des contraintes beaucoup plus strictes à la masse de la Voie lactée que les estimations précédentes, et pourrait avoir des implications importantes dans les domaines de l’astronomie, de l’astrophysique et de la cosmologie. Comme l'a résumé Callingham:
«Une estimation de masse plus précise peut être utilisée de plusieurs façons. Dans la modélisation des galaxies, le halo DM est la toile de fond sur laquelle les composants stellaires sont adaptés. De nombreuses méthodes pour sonder la nature du DM, telles que la structure du halo de DM, ainsi que la densité du DM sur Terre à des fins de détection directe, dépendent de la masse du MW. La masse peut également être utilisée pour prédire le nombre de galaxies satellites autour du MW que nous attendons. »
En plus de fournir aux astronomes des mesures raffinées de la masse de la Voie lactée - qui contribueront grandement à éclairer notre compréhension de sa taille, de son étendue et de sa population de galaxies satellites - cette étude a également des implications pour notre compréhension de l'Univers dans son ensemble. De plus, c’est encore une autre étude révolutionnaire qui a été rendue possible grâce à Gaia's deuxième publication de données.
La troisième version de Gaia les données devraient avoir lieu à la fin de 2020, et le catalogue final sera publié dans les années 2020. Entre-temps, une prolongation a déjà été approuvée pour le Gaia qui restera opérationnelle jusqu'à la fin de 2020 (à confirmer à la fin de cette année).
