Une nouvelle étude basée sur les données du satellite Gaia révèle que les galaxies naines autour de la Voie lactée sont probablement transitoires et moins riches en matière noire qu’on le pensait auparavant. Leur récente entrée dans le halo galactique et leur perte rapide de gaz remettent en question les croyances existantes sur leur stabilité et leur composition.
Les découvertes récentes du satellite Gaia suggèrent que les galaxies naines sont transitoires et moins influencées par la matière noire qu’on ne le pensait auparavant, remettant en question les hypothèses de longue date sur leur nature et leur composition.
Généralement considérées comme des satellites à longue durée de vie de notre galaxie, une nouvelle étude révèle désormais que la plupart des galaxies naines pourraient en fait être détruites peu après leur entrée dans le halo galactique. Grâce au dernier catalogue du satellite Gaia de l’ESA, une équipe internationale a démontré que les galaxies naines pourraient être hors d’équilibre. L’étude ouvre des questions importantes sur le modèle cosmologique standard, en particulier sur la prévalence de la matière noire dans notre environnement le plus proche.
On a longtemps supposé que les galaxies naines autour du voie Lactée sont d’anciens satellites en orbite autour de notre Galaxie depuis près de 10 milliards d’années. Cela les obligeait à contenir d’énormes quantités de matière noire pour les protéger des énormes effets de marée dus à l’attraction gravitationnelle de notre galaxie. On a supposé que la matière noire était à l’origine des grandes différences observées dans les vitesses des étoiles au sein de ces galaxies naines.
Galaxies naines autour de la Voie Lactée. Crédit : ESA/Gaia/DPAC
Nouvelles perspectives sur la dynamique des galaxies naines
Les dernières données de Gaia ont révélé une vision complètement différente des propriétés des galaxies naines. Des astronomes de l’Observatoire de Paris – PSL, du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam (AIP) ont pu dater l’histoire de la Voie lactée, grâce à la relation qui lie l’énergie orbitale d’un objet à son époque d’entrée dans le halo, le moment où ils ont été capturés pour la première fois par le champ gravitationnel de la Voie Lactée : les objets arrivés tôt, lorsque la Voie Lactée était moins massive, ont des énergies orbitales inférieures à celles des arrivées récentes.
Les énergies orbitales de la plupart des galaxies naines sont étonnamment bien plus grandes que celles de la galaxie naine du Sagittaire qui est entrée dans le halo il y a 5 à 6 milliards d’années. Cela implique que la plupart des galaxies naines sont arrivées beaucoup plus récemment, il y a moins de trois milliards d’années.
Vidéo d’une simulation de la transformation d’une galaxie riche en gaz et dominée par la rotation en une galaxie naine sphérique après sa première entrée dans le halo de la Voie lactée. Ici, un analogue de la galaxie naine Sculptor est montré, avec le gaz représenté en bleu et les étoiles en orange. Le gaz est extrait lorsque la naine est la plus proche de la Voie lactée (distance indiquée dans le coin supérieur droit), ce qui entraîne une expansion rapide des étoiles. Le modèle prédit ainsi une large enveloppe d’étoiles lointaines autour du reste de la galaxie naine. Cependant, la profondeur des observations optiques montre que cette enveloppe d’étoiles est trop faible pour être facilement détectée. Crédits : Jianling Wang, François Hammer
Transformation et perte de gaz dans les galaxies naines
Une arrivée aussi récente implique que les naines proches viennent de l’extérieur du halo, où presque toutes les galaxies naines contiennent d’énormes réservoirs de gaz neutre. Les galaxies riches en gaz ont perdu leur gaz lorsqu’elles sont entrées en collision avec le gaz chaud du halo galactique. La violence des chocs et les turbulences ont complètement modifié les galaxies naines. Alors que les galaxies naines autrefois riches en gaz étaient dominées par la rotation du gaz et des étoiles, lorsqu’elles sont transformées en systèmes sans gaz, leur gravité est équilibrée par les mouvements aléatoires de leurs étoiles restantes.
Les galaxies naines perdent leur gaz dans un processus si violent qu’il les met hors d’équilibre, ce qui signifie que la vitesse de déplacement de leurs étoiles n’est plus en équilibre avec leur accélération gravitationnelle. Les effets combinés de la perte de gaz et des chocs gravitationnels dus à la plongée dans la Galaxie expliquent bien la large répartition des vitesses des étoiles au sein des restes de galaxies naines.
Image issue d’une simulation de la transformation d’une galaxie riche en gaz et dominée par la rotation en une galaxie naine sphérique. Ici, un analogue de la galaxie naine Sculptor est présenté. Crédits : Jianling Wang, François Hammer
Repenser le rôle de la matière noire
L’une des curiosités de cette étude est le rôle de la matière noire. Premièrement, l’absence d’équilibre empêche toute estimation de la masse dynamique des naines de la Voie lactée et de leur contenu en matière noire. Deuxièmement, alors que dans le scénario précédent, la matière noire protégeait la supposée stabilité des galaxies naines, invoquer la matière noire devient plutôt gênant pour les objets déséquilibrés. En fait, si la naine contenait déjà beaucoup de matière noire, elle aurait stabilisé son disque rotatif initial d’étoiles, empêchant ainsi la transformation de la naine en une galaxie aux mouvements stellaires aléatoires, comme observé.
Implications et questions soulevées
L’arrivée récente décrite de galaxies naines et leurs transformations dans le halo expliquent bien de nombreuses propriétés observées de ces objets, notamment pourquoi ils ont des étoiles très éloignées de leur centre. Leurs propriétés semblent compatibles avec une absence de matière noire, contrairement à la compréhension antérieure selon laquelle les galaxies naines étaient les objets dominés le plus par la matière noire.
De nombreuses questions se posent désormais, telles que : où sont les nombreuses galaxies naines dominées par la matière noire que le mode cosmologique standard attend autour de la Voie lactée ? Comment pouvons-nous déduire le contenu en matière noire d’une galaxie naine si l’équilibre ne peut être supposé ? Quelles autres observations pourraient faire la distinction entre les galaxies naines hors équilibre proposées et l’image classique avec des galaxies naines dominées par la matière noire ?
