Il est bien connu que l'expansion de l'univers s'accélère en raison d'une mystérieuse énergie noire. Au sein des galaxies, les étoiles connaissent aussi une accélération, bien que cela soit dû à une combinaison de matière noire et de densité stellaire. Dans une nouvelle étude à paraître dans Lettres de revues astrophysiques les chercheurs ont maintenant obtenu la première mesure directe de l'accélération moyenne ayant lieu dans notre galaxie d'origine, la voie Lactée. Dirigé par Sukanya Chakrabarti à l'Institute for Advanced Study avec des collaborateurs du Rochester Institute of Technology, Université de Rochester, et Université du Wisconsin-Milwaukee, l'équipe a utilisé des données de pulsar pour mesurer les accélérations radiales et verticales des étoiles à l'intérieur et à l'extérieur du plan galactique. Sur la base de ces nouvelles mesures de haute précision et de la quantité connue de matière visible dans la galaxie, les chercheurs ont ensuite pu calculer la densité de matière noire de la Voie lactée sans faire l'hypothèse habituelle que la galaxie est dans un état stable.

"Notre analyse ne nous donne pas seulement la première mesure des minuscules accélérations subies par les étoiles dans la galaxie, mais ouvre aussi la possibilité d'étendre ce travail pour comprendre la nature de la matière noire, et finalement l'énergie noire à plus grande échelle, " a déclaré Chakrabarti, l'auteur principal de l'article et membre actuel et membre IBM Einstein de l'Institute for Advanced Study.

Les étoiles traversent la galaxie à des centaines de kilomètres par seconde, pourtant, cette étude indique que le changement de leurs vitesses se produit à un rythme d'escargot littéral - quelques centimètres par seconde, qui est à peu près la même vitesse qu'un bébé qui rampe. Pour détecter ce mouvement subtil, l'équipe de recherche s'est appuyée sur la capacité de chronométrage ultra-précis des pulsars largement répartis dans le plan galactique et le halo, une région sphérique diffuse qui entoure la galaxie.

« En exploitant les propriétés uniques des pulsars, nous avons pu mesurer de très petites accélérations dans la Galaxie. Notre travail ouvre une nouvelle fenêtre dans la dynamique galactique, " a déclaré le co-auteur Philip Chang de l'Université du Wisconsin-Milwaukee.

S'étendant vers l'extérieur d'environ 300, 000 années-lumière du centre galactique, le halo peut fournir des indications importantes pour comprendre la matière noire, qui représente environ 90 pour cent de la masse de la galaxie et est fortement concentré au-dessus et au-dessous du plan galactique dense en étoiles. Le mouvement stellaire dans cette région particulière - un objectif principal de cette étude - peut être influencé par la matière noire. En utilisant les mesures de densité locales obtenues grâce à cette étude, les chercheurs auront désormais une meilleure idée de comment et où chercher la matière noire.

Alors que les études précédentes supposaient un état d'équilibre galactique pour calculer la densité de masse moyenne, cette recherche est basée sur le naturel, état de non-équilibre de la galaxie. On pourrait comparer cela à la différence entre la surface d'un étang avant et après qu'une pierre y soit jetée. En prenant en compte les « ondulations », l'équipe a pu obtenir une image plus précise de la réalité. Bien que dans ce cas, plutôt que des pierres, la Voie Lactée est influencée par une histoire mouvementée de fusions galactiques et continue d'être perturbée par des galaxies naines externes comme les Petits et Grands Nuages ​​de Magellan. Par conséquent, les étoiles n'ont pas d'orbites plates et ont tendance à suivre une trajectoire similaire à celle d'un disque vinyle déformé, passage au-dessus et au-dessous du plan galactique. L'un des facteurs clés qui a permis cette approche d'observation directe était l'utilisation de données de pulsar compilées à partir de collaborations internationales, dont NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) qui a obtenu des données des télescopes Green Bank et Arecibo.

Cet article historique développe les travaux de Jan H. Oort (1932); John Bahcall (1984); Kuijken &Gilmore (1989); Holmberg et Flynn (2000); Jo Bovy &Scott Tremaine (2012) pour calculer la densité de masse moyenne dans le plan galactique (limite d'Oort) et la densité locale de matière noire. Les universitaires de l'IAS dont Oort, Bahcall, Bovy, Tremaine, et Chakrabarti ont joué un rôle important dans l'avancement de ce domaine de recherche.

« Pendant des siècles, les astronomes ont mesuré les positions et les vitesses des étoiles, mais ceux-ci ne fournissent qu'un aperçu du comportement dynamique complexe de la galaxie de la Voie lactée, " a déclaré Scott Tremaine, Professeur émérite à l'Institute for Advanced Study. "Les accélérations mesurées par Chakrabarti et ses collaborateurs sont directement causées par les forces gravitationnelles de la matière dans la galaxie, à la fois visible et sombre, et fournir ainsi une fenêtre nouvelle et prometteuse sur la distribution et la composition de la matière dans la galaxie et l'univers."

Ce document particulier permettra une grande variété d'études futures. Des mesures précises des accélérations seront également bientôt possibles en utilisant la méthode de vitesse radiale complémentaire que Chakrabarti a développée plus tôt cette année, qui mesure le changement de vitesse des étoiles avec une grande précision. Ce travail permettra également des simulations plus fines de la Voie Lactée, améliorer les contraintes sur la relativité générale, et fournir des indices dans la recherche de la matière noire. Des extensions de cette méthode pourraient nous permettre en fin de compte de mesurer directement l'accélération cosmique également.

Alors qu'une image directe de notre galaxie d'origine, similaire à celles de la Terre prises par les astronautes d'Apollo, n'est pas encore possible, cette étude a fourni de nouveaux détails essentiels pour aider à envisager l'organisation dynamique de la galaxie de l'intérieur.