Le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA étudiera des flux d’étoiles vaporeux qui s’étendent bien au-delà des bords apparents de nombreuses galaxies. Des missions comme les télescopes spatiaux Hubble et James Webb devraient rassembler des centaines de petites images pour voir ces structures autour des galaxies proches dans leur intégralité. Roman le fera en un seul instantané. Les astronomes utiliseront ces observations pour explorer la croissance des galaxies et la nature de la matière noire.
Les flux stellaires ressemblent à des mèches de cheveux éthérées s’étendant vers l’extérieur de certaines galaxies, dérivant paisiblement dans l’espace dans le cadre du halo – une région sphérique entourant une galaxie. Mais ces envolées stellaires sont les signes d’un ancien drame à l’échelle cosmique qui sert de registre fossile du passé d’une galaxie. Les étudier transforme les astronomes en archéologues galactiques.
« Les halos sont principalement constitués d’étoiles qui ont été arrachées à d’autres galaxies », a déclaré Tjitske Starkenburg, chercheur postdoctoral à la Northwestern University d’Evanston, dans l’Illinois, qui a examiné le potentiel de Roman dans ce domaine. « Les images larges et profondes de Roman seront suffisamment nettes pour que nous puissions résoudre des étoiles individuelles dans les halos d’autres galaxies, ce qui permettra d’étudier pour la première fois les flux stellaires dans un grand nombre de galaxies. »
L’équipe, dirigée par Starkenburg, partagera ses résultats lors de la 240e réunion de l’American Astronomical Society à Pasadena, en Californie, aujourd’hui.
Cannibalisme galactique, étoiles volées
Les simulations soutiennent la théorie selon laquelle les galaxies se développent en partie en engloutissant de plus petits groupes d’étoiles. Une galaxie naine capturée en orbite par une plus grande est déformée par la gravité. Ses étoiles bruinent, traçant des arcs et des boucles autour de la plus grande galaxie jusqu’à ce qu’elles deviennent finalement ses nouveaux membres.
« Alors que des étoiles individuelles s’échappent de la galaxie naine et tombent dans la plus massive, elles forment de longs et minces flux qui restent intacts pendant des milliards d’années », a déclaré Sarah Pearson, boursière postdoctorale Hubble à l’Université de New York à New York et l’auteur principal d’une étude distincte, également publiée dans Le Journal Astrophysique, sur les prévisions d’observations de la mission dans cette zone. « Ainsi, les flux stellaires détiennent des secrets du passé et peuvent éclairer des milliards d’années d’évolution. »
Cette animation montre des flux stellaires simulés au milieu d’un arrière-plan réaliste d’étoiles dans la galaxie d’Andromède (M31). Les observatoires actuels ne peuvent pas voir les étoiles individuelles faibles dans et autour des galaxies, nous ne pouvons donc voir que les plus grands flux stellaires et uniquement lors de la sélection des étoiles ressemblant à des flux stellaires dans l’image. Non seulement Roman sera capable d’imager des étoiles individuelles dans des galaxies proches – avec un traitement similaire, les flux stellaires apparaîtront encore plus importants. Crédits : Centre de vol spatial Goddard de la NASA, basé sur les données de Pearson et al. (2019)
Les astronomes ont pris ce processus cannibale sur le fait en utilisant des télescopes comme le satellite Gaia de l’ESA (Agence spatiale européenne), qui est réglé avec précision pour mesurer les positions et les mouvements des étoiles dans notre galaxie de la Voie lactée. Roman étendra ces observations en effectuant des mesures similaires d’étoiles à la fois dans la Voie lactée et dans d’autres galaxies.
La Voie lactée abrite au moins 70 courants stellaires, ce qui signifie qu’elle a probablement dévoré au moins 70 galaxies naines ou amas d’étoiles globulaires, des groupes de centaines de milliers d’étoiles gravitationnellement liées. Les images de la Voie lactée de Roman pourraient permettre aux astronomes d’enchaîner des instantanés à temps pour montrer le mouvement des étoiles. Cela nous aidera à comprendre de quoi est faite la matière noire, une matière invisible que nous ne pouvons détecter que par ses effets gravitationnels sur les objets visibles.
Une théorie suggère que la matière noire est « froide » ou composée de particules lourdes et lentes. Si tel est le cas, il devrait s’agglutiner dans les halos galactiques, ce qui perturberait les flux stellaires d’une manière que Roman pourrait voir. En détectant ou en éliminant ces distorsions, Roman pourrait réduire les candidats à la composition de la matière noire.
Les astronomes sont également impatients d’étudier les courants stellaires dans plusieurs des galaxies voisines de la Voie lactée. Ils ne sont pas bien étudiés dans d’autres galaxies parce qu’ils sont si faibles et si éloignés. Ils sont aussi si vastes qu’ils peuvent s’enrouler autour d’une galaxie entière. Il faut une vue panoramique inégalée comme celle de Roman pour capturer des images à la fois suffisamment grandes et détaillées pour les voir.
Des flux stellaires particulièrement insaisissables qui se sont formés lorsque la Voie lactée a siphonné des étoiles d’amas d’étoiles globulaires ont déjà été détectés, mais ils n’ont jamais été trouvés dans d’autres galaxies. Ils sont plus faibles car ils contiennent moins d’étoiles, ce qui les rend beaucoup plus difficiles à repérer dans d’autres galaxies plus éloignées.
Roman pourrait les détecter dans plusieurs de nos galaxies voisines pour la toute première fois. La vision large, nette et profonde de la mission devrait même révéler des étoiles individuelles dans ces énormes structures sombres. Dans une précédente étude publiée dans Le Journal Astrophysique Pearson a dirigé le développement d’un algorithme pour rechercher systématiquement des flux stellaires provenant d’amas globulaires dans des galaxies voisines.
La nouvelle étude de Starkenburg ajoute à l’image en prédisant que Roman devrait être capable de détecter des dizaines de flux dans d’autres galaxies provenant de galaxies naines, offrant un aperçu sans précédent de la croissance des galaxies.
« C’est excitant d’en savoir plus sur notre Voie lactée, mais si nous voulons vraiment comprendre la formation des galaxies et la matière noire, nous avons besoin d’un échantillon plus grand », a déclaré Starkenburg. « L’étude des flux stellaires dans d’autres galaxies avec Roman nous aidera à avoir une vue d’ensemble. »
Sarah Pearson et al, The Hough Stream Spotter: Une nouvelle méthode de détection de la structure linéaire dans les étoiles résolues et application au halo stellaire de M31, Le Journal Astrophysique (2022). DOI : 10.3847/1538-4357/ac4496
Sarah Pearson et al, Détection de flux stellaires minces dans des galaxies externes : étoiles résolues et lumière intégrée, Le Journal Astrophysique (2019). DOI : 10.3847/1538-4357/ab3e06