Tout comme le soleil a des planètes et 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 faibles autour de la Voie lactée pour imposer des contraintes plus strictes sur la connexion entre le 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 LMC et ont fait une nouvelle prédiction : si les modèles des scientifiques sont corrects, la Voie lactée devrait avoir 150 galaxies satellites ou plus très faibles en attente de découverte d’ici la prochaine. projets de génération tels que le Legacy Survey of Space and Time de l’Observatoire Vera C. Rubin.

La nouvelle étude, à paraître dans le Astrophysical Journal et disponible en préimpression ici, fait partie d’un effort plus vaste pour comprendre comment fonctionne la matière noire à des échelles plus petites que notre galaxie, a déclaré Ethan Nadler, premier auteur de l’étude et étudiant diplômé au Kavli. Institut d’astrophysique et de cosmologie des particules (KIPAC) et 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 de galaxies locales « , a déclaré Nadler. « Et puis la question est, est-ce que cela fonctionne sur les plus petites échelles que nous pouvons mesurer ? »

Briller la lumière des galaxies sur la matière noire

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.

Ces découvertes sont toujours passionnantes, mais ce qui est peut-être le plus excitant, c’est ce que les données pourraient nous dire sur le cosmos. « 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’apprendre sur la matière noire et la formation de galaxies », a déclaré Risa Wechsler, directrice de 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.

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 qu’il faut pour former une galaxie, combien de galaxies satellites nous devrions nous attendre à trouver autour du Milky Façon 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.

Conseils de hiérarchie galactique

La réponse à cette dernière question semble être un « oui » retentissant.

La possibilité de détecter une hiérarchie de galaxies satellites est apparue pour la première fois il y a quelques années lorsque DES a détecté plus de galaxies satellites au voisinage du Grand Nuage de Magellan que ce à quoi elles auraient pu s’attendre si ces satellites étaient répartis de façon aléatoire dans le ciel. Ces observations sont particulièrement intéressantes, a déclaré Nadler, à la lumière des mesures de Gaia, qui ont indiqué que six de ces galaxies satellites sont tombées dans la Voie lactée avec le LMC.

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, un ancien étudiant diplômé de Wechsler qui est maintenant à l’Université Rutgers, 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. 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, notamment les anciens étudiants de KIPAC Alex Drlica-Wagner, Wilson Fellow au Fermilab et professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à l’Université de Chicago, et Keith Bechtol, professeur adjoint de physique au L’Université du Wisconsin-Madison et leurs collaborateurs ont produit l’étape finale cruciale : un modèle dont les galaxies satellites sont les plus susceptibles d’être vues par les levés actuels, 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. En comparant ces cas avec des observations galactiques, ils pourraient déduire une gamme de paramètres astrophysiques, y compris le nombre de galaxies satellites qui auraient dû être marquées avec le LMC. Les résultats, a déclaré Nadler, étaient conformes aux observations de Gaia : six galaxies satellites devraient actuellement être détectées à proximité du LMC, se déplaçant à peu près aux bonnes vitesses et à peu près aux mêmes endroits que les astronomes avaient précédemment observés. 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.

Des galaxies encore invisibles

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 – planant 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, a-t-il dit, et imposerait probablement des contraintes plus strictes sur la nature de la matière noire elle-même.

La recherche était un effort de collaboration au sein du Dark Energy Survey, dirigé par le groupe de travail sur la voie lactée, avec des contributions substantielles de membres juniors, dont Sidney Mau, un étudiant de premier cycle à l’Université de Chicago, et Mitch McNanna, un étudiant diplômé de l’UW-Madison. La recherche a été financée par une bourse d’études supérieures de la National Science Foundation, par le Bureau des sciences du Département de l’énergie par le biais du SLAC et par l’Université de Stanford.