Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Université du Tohoku a découvert une galaxie satellite naine extrêmement faible de la Voie lactée. La découverte de l'équipe fait partie de l'enquête stratégique Subaru en cours utilisant Hyper Suprime-Cam. Le satellite, nommé Vierge I, se trouve dans la direction de la constellation de la Vierge. A la magnitude absolue de -0,8 dans la bande d'onde optique, il se pourrait bien qu'il s'agisse de la galaxie satellite la plus faible jamais découverte. Sa découverte suggère la présence d'un grand nombre de satellites nains non encore détectés dans le halo de la Voie lactée et fournit des informations importantes sur la formation des galaxies grâce à l'assemblage hiérarchique de la matière noire.

Actuellement, une cinquantaine de galaxies satellites de la Voie lactée ont été identifiées. Une quarantaine d'entre elles sont faibles et diffuses et appartiennent à la catégorie des « galaxies sphéroïdales naines » (Figure 2). De nombreuses galaxies naines récemment découvertes, en particulier ceux observés dans les levés photométriques systématiques tels que le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) et le Dark Energy Survey (DES) sont très faibles avec une luminosité absolue dans la bande d'onde optique inférieure à -8 magnitude. Ce sont des galaxies naines ultra-faibles. Cependant, les recherches précédentes utilisaient des télescopes d'un diamètre de 2,5 à 4 mètres, ainsi, seuls les satellites relativement proches du Soleil ou ceux avec des magnitudes plus élevées ont été identifiés. Ceux qui sont plus éloignés ou plus faibles dans le halo de la Voie lactée n'ont pas encore été détectés (Figure 3).

La combinaison de la grande ouverture du télescope Subaru de 8,2 mètres et de l'instrument Hyper Suprime-Cam (HSC) à grand champ de vision est très puissante dans cette étude. Il permet une recherche efficace de satellites nains très faibles sur de vastes zones du ciel. La première étape de la recherche d'une nouvelle galaxie naine est d'identifier une surdensité d'étoiles dans le ciel, utilisant des données photométriques. Ensuite, il faut évaluer que l'apparence trop dense n'est pas due à une ligne de mire ou à des juxtapositions accidentelles de champs denses non liés, mais c'est vraiment un système stellaire. La méthode standard pour ce faire est de rechercher une distribution caractéristique des étoiles dans le diagramme couleur-magnitude (comparable au diagramme de Hertzsprung-Russell (panneaux du milieu et de gauche de la figure 4)). Les étoiles dans un champ général ne montrent aucun modèle particulier dans ce diagramme (panneau de droite de la figure 4).

Trouver la Vierge I

Daisuke Homma, un étudiant diplômé de l'Université du Tohoku, trouvé Vierge I sous la direction de son conseiller, Masashi Chiba, et leurs collaborateurs internationaux. "Nous avons soigneusement examiné les premières données du Subaru Strategic Survey avec HSC et avons trouvé une surdensité apparente d'étoiles en Vierge avec une signification statistique très élevée, montrant un motif caractéristique d'un ancien système stellaire dans le diagramme couleur-amplitude, " dit-il. " Étonnamment, c'est l'un des satellites les plus faibles, avec une magnitude absolue de -0,8 dans la bande d'onde optique. C'est bien une galaxie, car il est étendu dans l'espace avec un rayon de 124 années-lumière - systématiquement plus grand qu'un amas globulaire avec une luminosité comparable."

Les satellites nains les plus faibles identifiés jusqu'à présent étaient Segue I, découvert par SDSS (-1,5 mag) et Cetus II dans DES (0,0 mag). Cetus II n'a pas encore été confirmé, car elle est trop compacte comme une galaxie. Vierge, je pourrais finalement s'avérer être la plus faible jamais découverte. Il se trouve à une distance de 280, 000 années-lumière du Soleil, et une galaxie aussi éloignée avec une faible luminosité n'a pas été identifiée dans les enquêtes précédentes. Il est hors de portée de SDSS, qui a déjà arpenté la même zone en direction de la constellation de la Vierge (Figure 5).

Selon Chiba, le chef de file de ce projet de recherche, la découverte a des implications profondes. "Cette découverte implique des centaines de faibles satellites nains qui attendent d'être découverts dans le halo de la Voie lactée, " dit-il. " Combien de satellites y a-t-il en effet et quelles propriétés ils ont, nous donnera un indice important pour comprendre comment la Voie lactée s'est formée et comment la matière noire y a contribué."

Utiliser HSC pour tracer la formation de galaxies

On pense que la formation de galaxies comme la Voie lactée procède de l'assemblage hiérarchique de la matière noire, formant des halos sombres, et par l'arrivée subséquente de gaz et la formation d'étoiles affectées par la gravité. Les modèles standard de formation des galaxies dans le contexte de la théorie dite de la matière noire froide (CDM) prédisent la présence de centaines de petits halos sombres en orbite dans un halo sombre de la taille de la Voie lactée et un nombre comparable de compagnons satellites lumineux. Cependant, seules des dizaines de satellites ont été identifiés. Ceci est bien en deçà d'un nombre théorique prédit, qui fait partie du soi-disant "problème de satellite manquant". Les astronomes devront peut-être envisager d'autres types de matière noire que le MDP ou invoquer la physique baryonique supprimant la formation de galaxies pour expliquer le manque de satellites. Une autre possibilité est qu'ils n'ont vu qu'une fraction de tous les satellites associés à la Voie lactée en raison de divers biais d'observation. Le problème reste non résolu.

L'une des motivations du levé stratégique Subaru utilisant HSC est d'augmenter les observations dans la recherche de satellites de la Voie lactée. Les premières données de cette enquête sont ce qui a conduit à la découverte de Virgo I. Ce programme continuera à explorer des zones beaucoup plus larges du ciel et devrait trouver plus de satellites comme Virgo I. Ces minuscules compagnons à découvrir dans un proche avenir peuvent nous en dire beaucoup plus sur l'histoire de la formation de la Voie lactée.