Une étude à long terme du télescope spatial Hubble sur les étoiles de la galaxie naine Draco suggère que la matière noire est concentrée au centre de la galaxie, ce qui étaye la théorie de la cuspide de densité. Cette découverte remet en cause les observations précédentes et améliore notre compréhension du rôle de la matière noire dans la formation des galaxies. (Concept d'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
La longévité du télescope spatial Hubble est un atout pour mieux comprendre la colle invisible de l’univers.
Lorsque la théorie et les observations favorisent des résultats différents, comment les astronomes peuvent-ils déterminer lequel est le plus réalisable ?
Pour renforcer la confiance dans une théorie plutôt qu'une autre, il faut souvent créer un ensemble de données plus riche pour améliorer les modèles actuels et réduire les incertitudes. Une équipe de scientifiques a fait exactement cela pour aider à atténuer l'obscurité d'un débat de longue date : le problème du noyau de la cuspide. En analysant NASA's Le télescope spatial Hubble Grâce aux données recueillies sur une période de près de deux décennies, les astronomes ont cartographié les mouvements stellaires au sein d'une galaxie et découvert l'agrégation probable de matière noire en son centre.
Une équipe d'astronomes a analysé les observations du télescope spatial Hubble de la NASA prises sur une période de 18 ans pour mesurer les mouvements dynamiques des étoiles dans la galaxie naine Draco. Les vastes données de base et d'archives du télescope ont permis à l'équipe de construire la carte tridimensionnelle la plus précise des mouvements des étoiles au sein du système. Ces mesures améliorées contribuent à faire la « lumière » sur les qualités et le comportement mystérieux de la matière noire, la « colle » invisible de l'univers. Crédit : NASA, ESA, Eduardo Vitral (STScI), Roeland van der Marel (STScI), Sangmo Tony Sohn (STScI), DSS, Joseph DePasquale (STScI)
Le télescope spatial Hubble trace la matière noire dans une galaxie naine en utilisant les mouvements stellaires
Les qualités et le comportement de la matière noire, la « colle » invisible de l’univers, restent entourés de mystère. Bien que les galaxies soient principalement constituées de matière noire, comprendre comment elle se répartit au sein d’une galaxie offre des indices sur ce qu’est cette substance et sur son rôle dans l’évolution d’une galaxie.
Alors que les simulations informatiques suggèrent que la matière noire devrait s'accumuler au centre d'une galaxie, ce que l'on appelle une cuspide de densité, de nombreuses observations télescopiques antérieures ont indiqué qu'elle est en fait plus uniformément dispersée dans la galaxie. La raison de cette tension entre le modèle et l'observation continue de dérouter les astronomes, renforçant le mystère de la matière noire.
Tirer parti du télescope Hubble
Une équipe d'astronomes s'est tournée vers le télescope spatial Hubble de la NASA pour tenter de clarifier ce débat en mesurant les mouvements dynamiques des étoiles au sein de la galaxie naine du Dragon, un système situé à environ 250 000 années-lumière de la Terre. En s'appuyant sur des observations s'étalant sur 18 ans, ils ont réussi à établir la compréhension tridimensionnelle la plus précise des mouvements des étoiles au sein de cette minuscule galaxie. Cela a nécessité d'examiner près de deux décennies d'observations archivées par Hubble de la galaxie du Dragon.
« Nos modèles tendent à s’accorder davantage avec une structure en forme de cuspide, qui s’aligne sur les modèles cosmologiques », a déclaré Eduardo Vitral de l’Université de Californie à Los Angeles. Institut des sciences du télescope spatial (STScI) à Baltimore et auteur principal de l'étude. « Bien que nous ne puissions pas affirmer avec certitude que toutes les galaxies contiennent une distribution de matière noire de type cuspide, il est passionnant de disposer de données aussi bien mesurées qui surpassent tout ce que nous avons eu jusqu'à présent. »
Techniques avancées pour le mouvement stellaire
Pour en savoir plus sur la matière noire dans une galaxie, les scientifiques peuvent observer ses étoiles et leurs mouvements, qui sont dominés par l’attraction de la matière noire. Une approche courante pour mesurer la vitesse des objets en mouvement dans l’espace est l’effet Doppler, un changement observé de la longueur d’onde de la lumière lorsqu’une étoile se rapproche ou s’éloigne de la Terre. Bien que cette vitesse en ligne de visée puisse fournir des informations précieuses, cette source d’information unidimensionnelle ne permet pas d’en savoir beaucoup plus.
En plus de se rapprocher ou de s'éloigner de nous, les étoiles se déplacent également dans le ciel, ce qui correspond à leur mouvement propre. En combinant la vitesse en ligne de visée avec les mouvements propres, l'équipe a créé une analyse inédite des mouvements 3D des étoiles.
« Les améliorations des données et les améliorations de la modélisation vont généralement de pair », explique Roeland van der Marel du STScI, co-auteur de l’étude qui a lancé l’étude il y a plus de 10 ans. « Si vous ne disposez pas de données très sophistiquées ou uniquement de données unidimensionnelles, des modèles relativement simples peuvent souvent convenir. Plus les dimensions et la complexité des données que vous collectez sont nombreuses, plus vos modèles doivent être complexes pour capturer véritablement toutes les subtilités des données. »
Un marathon scientifique (pas un sprint)
Comme les galaxies naines sont connues pour avoir une proportion plus élevée de contenu en matière noire que les autres types de galaxies, l'équipe s'est concentrée sur la galaxie naine Draco, qui est un satellite relativement petit et sphéroïdal proche de la galaxie. voie Lactée galaxie.
« Pour mesurer les mouvements propres, on note la position d’une étoile à une époque donnée, puis on mesure la position de cette même étoile plusieurs années plus tard. On mesure le déplacement pour déterminer l’ampleur du déplacement », explique Sangmo Tony Sohn du STScI, autre co-auteur de l’article et chercheur principal du dernier programme d’observation. « Pour ce type d’observation, plus on attend, mieux on peut mesurer le déplacement des étoiles. »
L'équipe a analysé une série d'époques s'étalant de 2004 à 2022, une base de référence étendue que seul Hubble pouvait offrir, grâce à la combinaison de sa vision nette et stable et de son temps de fonctionnement record. Les riches archives de données du télescope ont contribué à réduire le niveau d'incertitude dans la mesure des mouvements propres des étoiles. La précision équivaut à mesurer un décalage annuel d'un peu moins de la largeur d'une balle de golf telle qu'observée sur la Lune depuis la Terre.
Grâce à trois dimensions de données, l’équipe a réduit la quantité d’hypothèses appliquées dans les études précédentes et a pris en compte les caractéristiques spécifiques à la galaxie – telles que sa rotation et la distribution de ses étoiles et de sa matière noire – dans ses propres efforts de modélisation.
Implications et recherches futures
Les méthodologies et modèles développés pour la galaxie naine du Dragon pourront être appliqués à d’autres galaxies à l’avenir. L’équipe analyse déjà les observations de Hubble sur la galaxie naine du Sculpteur et sur la galaxie naine de la Petite Ourse.
L'étude de la matière noire nécessite l'observation de différents environnements galactiques et implique également une collaboration entre différentes missions de télescopes spatiaux. Par exemple, le futur télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA contribuera à révéler de nouveaux détails sur les propriétés de la matière noire dans différentes galaxies grâce à sa capacité à étudier de vastes pans du ciel.
« Ce type d’étude est un investissement à long terme et nécessite beaucoup de patience », a expliqué Vitral. « Nous sommes en mesure de mener à bien cette étude grâce à toute la planification qui a été effectuée au fil des ans pour recueillir ces données. Les informations que nous avons recueillies sont le fruit du travail d’un groupe plus large de chercheurs qui travaillent sur ces sujets depuis de nombreuses années. »
Ces résultats ont été publiés le 11 juillet dans Le Journal d'astrophysique.
Le télescope spatial Hubble (HST) est un observatoire orbital révolutionnaire lancé en 1990 par la NASA en partenariat avec l' Agence spatiale européenneSitué en dehors de la distorsion de l'atmosphère terrestre, Hubble offre des vues exceptionnellement claires et profondes de l'univers, allant de notre système solaire aux galaxies les plus lointaines et aux phénomènes cosmiques insaisissables qui se situent entre ces deux extrêmes. Au fil des décennies, Hubble a joué un rôle essentiel dans de nombreuses découvertes astronomiques parmi les plus importantes, notamment le taux d'expansion de l'univers, la présence de trous noirs au centre des galaxies et la composition atmosphérique des exoplanètes. Sa série d'instruments de pointe et ses mises à niveau continues permettent aux astronomes du monde entier de réaliser des observations à haute résolution que les télescopes terrestres ne pourraient pas facilement égaler, ce qui en fait l'un des outils les plus précieux dans l'étude du cosmos.
