La Voie lactée est entourée de dizaines de galaxies naines qui seraient des reliques des toutes premières galaxies de l'univers. Parmi les plus primitifs de ces fossiles galactiques se trouve Tucana II, une galaxie naine ultra-faible d'environ 50 kiloparsecs, ou 163, 000 années-lumière, Depuis la terre.

Maintenant, les astrophysiciens du MIT ont détecté des étoiles au bord de Tucana II, dans une configuration étonnamment éloignée de son centre mais néanmoins prise dans l'attraction gravitationnelle de la minuscule galaxie. Il s'agit de la première preuve que Tucana II héberge un halo étendu de matière noire, une région de matière liée gravitationnellement que les chercheurs ont calculée comme étant trois à cinq fois plus massive que ce que les scientifiques avaient estimé. Cette découverte d'étoiles lointaines dans une ancienne galaxie naine implique que les toutes premières galaxies de l'univers étaient également probablement étendues et plus massives qu'on ne le pensait auparavant.

"Tucana II a beaucoup plus de masse que nous le pensions, pour lier ces étoiles si lointaines, ", explique Anirudh Chiti, étudiante diplômée du MIT. "Cela signifie que d'autres galaxies premières reliques ont probablement aussi ce genre de halos étendus."

Les chercheurs ont également déterminé que les étoiles à la périphérie de Tucana II sont plus primitives que les étoiles au cœur de la galaxie. C'est la première preuve d'un tel déséquilibre stellaire dans une galaxie naine ultrafaible.

La configuration unique suggère que l'ancienne galaxie peut avoir été le produit de l'une des premières fusions dans l'univers, entre deux galaxies naissantes, l'une légèrement moins primitive que l'autre.

"Nous assistons peut-être à la première signature du cannibalisme galactique, " dit Anna Frebel, le Silverman Family Career Development Associate Professor of Physics au MIT. "Une galaxie a peut-être mangé l'une de ses plus petites, voisins plus primitifs, qui a ensuite déversé toutes ses étoiles dans la périphérie."

Frébel, Chiti, et leurs collègues ont publié aujourd'hui leurs résultats dans Astronomie de la nature .

Des galaxies pas si mauviettes

Tucana II est l'une des galaxies naines les plus primitives connues, en fonction de la teneur en métal de ses étoiles. Les étoiles à faible teneur en métaux se sont probablement formées très tôt, quand l'univers ne produisait pas encore d'éléments lourds. Dans le cas de Tucana II, les astronomes avaient précédemment identifié une poignée d'étoiles autour du noyau de la galaxie avec une teneur en métal si faible que la galaxie était considérée comme la plus primitive chimiquement des galaxies naines ultrafaibles connues.

Chiti et Frebel se sont demandé si l'ancienne galaxie pourrait en abriter d'autres, des stars encore plus âgées, cela pourrait faire la lumière sur la formation des premières galaxies de l'univers. Pour tester cette idée, ils ont obtenu des observations de Tucana II grâce au télescope SkyMapper, un télescope optique au sol en Australie qui prend des vues larges du ciel austral.

L'équipe a utilisé un filtre d'imagerie sur le télescope pour repérer les primitives, étoiles pauvres en métal au-delà du noyau de la galaxie. L'équipe a exécuté un algorithme, développé par Chiti, à travers les données filtrées pour sélectionner efficacement les étoiles à faible teneur en métaux, y compris les étoiles précédemment identifiées au centre et neuf nouvelles étoiles beaucoup plus éloignées du noyau galactique.

"L'analyse d'Ani montre une connexion cinématique, que ces étoiles lointaines bougent au même rythme que les étoiles intérieures, comme l'eau du bain qui coule à l'égout, " ajoute Frébel.

Les résultats suggèrent que Tucana II doit avoir un halo de matière noire étendu qui est trois à cinq fois plus massif qu'on ne le pensait auparavant, afin qu'il garde une emprise gravitationnelle sur ces étoiles lointaines. La matière noire est un type de matière hypothétique qui représenterait plus de 85 % de l'univers. On pense que chaque galaxie est maintenue ensemble par une concentration locale, ou halo, de matière noire.

"Sans matière noire, les galaxies s'envoleraient tout simplement, " Chiti. dit. " [La matière noire] est un ingrédient crucial pour créer une galaxie et la maintenir ensemble. "

Les résultats de l'équipe sont la première preuve qu'une galaxie naine ultrafaible peut abriter un halo de matière noire étendu.

"Cela signifie probablement aussi que les premières galaxies se sont formées dans des halos de matière noire beaucoup plus grands qu'on ne le pensait auparavant, " dit Frebel. " Nous avons pensé que les premières galaxies étaient les plus petites, galaxies les plus mauviettes. Mais ils ont peut-être été plusieurs fois plus gros que nous le pensions, et pas si petit après tout."

"Une histoire cannibale"

Chiti et Frebel ont suivi leurs premiers résultats avec des observations de Tucana II prises par les télescopes Magellan au Chili. Avec Magellan, l'équipe s'est concentrée sur les étoiles pauvres en métaux de la galaxie pour en déduire leurs métallicités relatives, et découvert que les étoiles extérieures étaient trois fois plus pauvres en métal, et donc plus primitif, que ceux du centre.

"C'est la première fois que nous voyons quelque chose qui ressemble à une différence chimique entre les étoiles intérieures et extérieures dans une ancienne galaxie, " dit Chiti.

Une explication probable du déséquilibre peut être une fusion galactique précoce, dans laquelle une petite galaxie - peut-être parmi la première génération de galaxies à se former dans l'univers - a englouti une autre galaxie voisine. Ce cannibalisme galactique se produit constamment dans tout l'univers aujourd'hui, mais il n'était pas clair si les premières galaxies fusionnaient de la même manière.

"Tucana II finira par être mangé par la Voie Lactée, sans pitié, " dit Frebel. " Et il s'avère que cette ancienne galaxie a peut-être sa propre histoire cannibale. "

L'équipe prévoit d'utiliser leur approche pour observer d'autres galaxies naines ultrafaibles autour de la Voie lactée, dans l'espoir de découvrir encore plus vieux, étoiles plus lointaines.

"Il y a probablement beaucoup plus de systèmes, peut-être tous, qui ont ces étoiles clignotantes dans leur périphérie, " dit Frébel.