Tout comme le soleil a des planètes et les planètes ont des lunes, notre galaxie a des galaxies satellites, et certains d'entre eux pourraient avoir leurs propres galaxies satellites plus petites. En être témoin, le Grand Nuage de Magellan (LMC), une galaxie satellite relativement grande visible depuis l'hémisphère sud, aurait emporté au moins six de ses propres galaxies satellites lorsqu'il s'est approché pour la première fois de la Voie lactée, sur la base de mesures récentes de la mission Gaia de l'Agence spatiale européenne.

Les astrophysiciens pensent que la matière noire est responsable d'une grande partie de cette structure, et maintenant des 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 la taille et la structure des galaxies et les halos de matière noire qui les entourent . À la fois, ils ont trouvé plus de preuves de l'existence des galaxies satellites LMC et ont fait une nouvelle prédiction :si les modèles des scientifiques sont corrects, la Voie lactée devrait avoir 150 galaxies satellites très faibles ou plus en attente de découverte par des projets de nouvelle génération tels que le Legacy Survey of Space and Time de l'Observatoire Vera C. Rubin.

La nouvelle étude, à venir dans le Journal d'astrophysique et disponible en préimpression ici, fait partie d'un effort plus large pour comprendre comment la matière noire fonctionne à des échelles plus petites que notre galaxie, dit Ethan Nadler, premier auteur de l'étude et étudiant diplômé à l'Institut Kavli d'astrophysique et de cosmologie des particules (KIPAC) et à l'Université de Stanford.

« Nous savons très bien certaines choses sur la matière noire – quelle quantité de matière noire y a-t-il, comment se regroupe-t-il, mais toutes ces déclarations sont qualifiées en disant :Oui, c'est ainsi qu'il se comporte à des échelles supérieures à la taille de notre groupe local de galaxies, " dit Nadler. " Et puis la question est, est-ce que cela fonctionne aux plus petites échelles que nous puissions mesurer ? »

La lumière brillante des galaxies sur la matière noire

Les astronomes savent depuis longtemps que la Voie lactée possède des galaxies satellites, dont le Grand Nuage de Magellan, visible à l'œil nu depuis l'hémisphère sud, mais on pensait que le nombre était d'environ une douzaine jusqu'à environ l'an 2000. Depuis lors, 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.

De telles 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 dans environ les trois quarts du ciel, et c'est vraiment important pour plusieurs façons différentes d'apprendre sur la matière noire et la formation des galaxies, " a déclaré Risa Wechsler, directeur du 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 imposer des limites beaucoup plus strictes aux 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 nécessaire pour former une galaxie, combien de galaxies satellites nous devrions nous attendre à trouver autour de la Voie lactée et si les galaxies peuvent amener leurs propres satellites en orbite autour de la nôtre - une prédiction clé du modèle le plus populaire de la matière noire.

Des indices sur la 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 à proximité du Grand Nuage de Magellan qu'il ne l'aurait imaginé si ces satellites étaient répartis au hasard dans le ciel. Ces observations sont particulièrement intéressantes, Nadler a dit, à la lumière des mesures Gaia, qui a indiqué que six de ces galaxies satellites sont tombées dans la Voie lactée avec le LMC.

Pour mieux étudier les satellites du LMC, Nadler et son équipe ont analysé des simulations informatiques de millions d'univers possibles. Ces simulations, dirigé à l'origine par Yao-Yuan Mao, un ancien étudiant diplômé de Wechsler qui est maintenant à l'Université Rutgers, modéliser la formation de la structure de matière noire qui imprègne la Voie lactée, y compris des détails tels que des amas de matière noire plus petits 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 au sein desquels elles se forment.

Un effort mené par les autres de l'équipe DES, dont les anciens étudiants du KIPAC Alex Drlica-Wagner, un Wilson Fellow au Fermilab et un professeur assistant d'astronomie et d'astrophysique à l'Université de Chicago, et Keith Bechtol, professeur adjoint de physique à 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 enquêtes actuelles, étant donné leur emplacement dans le ciel ainsi que leur luminosité, taille et 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 sont tombés 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 combien de galaxies satellites auraient dû être associées au LMC. Les résultats, Nadler a dit, étaient cohérents avec les observations de Gaia :Six galaxies satellites devraient actuellement être détectées à proximité du LMC, se déplaçant avec à peu près les bonnes vitesses et à peu près aux mêmes endroits que les astronomes avaient précédemment observés. Les simulations suggèrent également que le LMC s'est approché pour la première fois de la Voie lactée il y a environ 2,2 milliards d'années, compatible avec les mesures de haute précision du mouvement du LMC du télescope spatial Hubble.

Galaxies encore invisibles

En plus des conclusions du LMC, l'équipe a également mis des limites sur la connexion entre les halos de matière noire et la structure de la galaxie. Par exemple, dans les simulations les plus proches de l'histoire de la Voie lactée et du LMC, les plus petites galaxies que les astronomes puissent observer actuellement devraient avoir des étoiles avec une masse combinée d'environ une centaine de soleils, et environ un million de fois plus de matière noire. D'après une extrapolation du modèle, les galaxies les plus faibles jamais observées pourraient se former dans des halos jusqu'à cent fois moins massifs que cela.

Et il pourrait y avoir d'autres découvertes à venir :si les simulations sont correctes, Nadler a dit, il y a environ 100 autres galaxies satellites – plus du double du nombre déjà découvert – planant autour de la Voie lactée. La découverte de ces galaxies permettrait de confirmer le modèle des chercheurs sur les liens entre la matière noire et la formation des galaxies, il a dit, et imposent 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 premier cycle à l'Université de Chicago, et Mitch McNanna, un étudiant diplômé à UW-Madison. La recherche a été financée par une bourse d'études supérieures de la National Science Foundation, par l'Office of Science du ministère de l'Énergie par l'intermédiaire du SLAC, et par l'Université de Stanford.