Depuis des siècles, les astronomes ont regardé au-delà de notre système solaire pour en savoir plus sur la galaxie de la Voie lactée. Et encore, il y a encore beaucoup de choses qui nous échappent, comme connaître sa masse précise. Déterminer cela est important pour comprendre l'histoire de la formation des galaxies et l'évolution de notre univers. En tant que tel, les astronomes ont essayé diverses techniques pour mesurer la vraie masse de la Voie lactée.

Jusque là, aucune de ces méthodes n'a été particulièrement efficace. Cependant, une nouvelle étude menée par une équipe de chercheurs du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics a proposé un moyen nouveau et intéressant de déterminer la masse de la Voie lactée. En utilisant des étoiles à hypervitesse (HVS) qui ont été éjectées du centre de la galaxie comme point de référence, ils prétendent que nous pouvons contraindre la masse de notre galaxie.

Leur étude, intitulé "Contraining Milky Way Mass with Hypervelocity Stars", a été récemment publié dans la revue Astronomie et astrophysique . L'étude a été réalisée par le Dr Giacomo Fragione, astrophysicien à l'Université de Rome, et le professeur Abraham Loeb – le Frank B. Baird, Professeur junior de sciences, le président du département d'astronomie, et le directeur de l'Institute for Theory and Computation de l'Université Harvard.

Pour être clair, déterminer la masse de la Voie lactée n'est pas une tâche simple. D'un côté, les observations sont difficiles parce que le système solaire se trouve profondément dans le disque de la galaxie elle-même. Mais en même temps, il y a aussi la masse du halo de matière noire de notre galaxie, ce qui est difficile à mesurer car non "lumineux", et donc invisible aux méthodes de détection conventionnelles.

Les estimations actuelles de la masse totale de la galaxie sont basées sur les mouvements des courants de marée de gaz et d'amas globulaires, qui sont tous deux influencés par la masse gravitationnelle de la galaxie. Mais si loin, ces mesures ont produit des estimations de masse allant d'un à plusieurs trillions de masses solaires. Comme le professeur Loeb l'a expliqué à Universe Today par e-mail, mesurer avec précision la masse de la Voie lactée est d'une grande importance pour les astronomes :

"La Voie Lactée fournit un laboratoire pour tester le modèle cosmologique standard. Ce modèle prédit que le nombre de galaxies satellites de la Voie Lactée dépend sensiblement de sa masse. En comparant les prédictions au recensement des galaxies satellites connues, il est indispensable de connaître la masse de la Voie Lactée. De plus, la masse totale calibre la quantité de matière invisible (noire) et définit bien la profondeur du potentiel gravitationnel et implique la vitesse à laquelle les étoiles doivent se déplacer pour qu'elles s'échappent dans l'espace intergalactique."

Pour le plaisir de leur étude, Le Pr Loeb et le Dr Fragione ont donc choisi une approche inédite, qui impliquait de modéliser les mouvements des HVS pour déterminer la masse de notre galaxie. Plus de 20 HVS ont été découverts dans notre galaxie jusqu'à présent, qui se déplacent à des vitesses allant jusqu'à 700 km/s (435 mi/s) et sont situés à des distances d'environ 100 à 50, 000 années-lumière du centre galactique.

On pense que ces étoiles ont été éjectées du centre de notre galaxie grâce aux interactions d'étoiles binaires avec le trou noir supermassif (SMBH) au centre de notre galaxie – aka. Sagittaire A*. Alors que leur cause exacte fait encore débat, les orbites des HVS peuvent être calculées puisqu'elles sont entièrement déterminées par le champ gravitationnel de la galaxie.

Comme ils l'expliquent dans leur étude, les chercheurs ont utilisé l'asymétrie dans la distribution de la vitesse radiale des étoiles dans le halo galactique pour déterminer le potentiel gravitationnel de la galaxie. La vitesse de ces étoiles de halo dépend de la vitesse d'échappement potentielle des HVS, à condition que le temps qu'il faut aux HVS pour terminer une seule orbite soit plus court que la durée de vie des étoiles du halo.

De là, ils ont pu discriminer différents modèles de la Voie lactée et de la force gravitationnelle qu'elle exerce. En adoptant le temps de trajet nominal de ces HVS observés - qu'ils ont calculé à environ 330 millions d'années, à peu près la même que la durée de vie moyenne des étoiles du halo - ils ont pu dériver des estimations gravitationnelles pour la Voie lactée, ce qui a permis d'estimer sa masse globale.

"En calibrant la vitesse minimale des étoiles non liées, nous constatons que la masse de la Voie lactée est de l'ordre de 1,2 à 1,9 billion de masses solaires, " dit Loeb. Alors qu'il était encore soumis à une fourchette, cette dernière estimation est une amélioration significative par rapport aux estimations précédentes. Quoi de plus, ces estimations sont cohérentes avec nos modèles cosmologiques actuels qui tentent de rendre compte de toute la matière visible dans l'univers, ainsi que la matière noire et l'énergie noire - le modèle Lambda-CDM.

"La masse inférée de la Voie lactée est dans la plage attendue dans le modèle cosmologique standard, " dit Léob, "où la quantité de matière noire est environ cinq fois plus grande que celle de la matière (lumineuse) ordinaire."

Sur la base de cette répartition, on peut dire que la matière normale dans notre galaxie - c'est-à-dire les étoiles, planètes, poussières et gaz – représentent entre 240 et 380 milliards de masses solaires. Ainsi, non seulement cette dernière étude fournit des contraintes de masse plus précises pour notre galaxie, cela pourrait également nous aider à déterminer exactement combien de systèmes stellaires existent – ​​les estimations actuelles indiquent que la Voie lactée compte entre 200 et 400 milliards d'étoiles et 100 milliards de planètes.

Au-delà de ça, cette étude est également importante pour l'étude de la formation et de l'évolution cosmiques. En plaçant des estimations plus précises sur la masse de notre galaxie, ceux qui sont cohérents avec la décomposition actuelle de la matière normale et de la matière noire, les cosmologistes seront en mesure de construire des comptes plus précis de la façon dont notre univers est né. Un pas de plus vers la compréhension de l'univers à la plus grande des échelles !