Dans deux études distinctes utilisant le prochain télescope spatial James Webb de la NASA, une équipe d'astronomes observera les galaxies naines compagnons de la Voie lactée et de la galaxie voisine d'Andromède. L'étude de ces petits compagnons aidera les scientifiques à en apprendre davantage sur la formation des galaxies et les propriétés de la matière noire, une substance mystérieuse qui représenterait environ 85 % de la matière de l'univers.

Dans la première étude, l'équipe acquerra des connaissances sur la matière noire en mesurant les mouvements des étoiles chez deux compagnons nains de la Voie lactée. Dans la deuxième étude, ils examineront les mouvements de quatre galaxies naines autour de notre grand voisin galactique le plus proche, la galaxie d'Andromède. Cela aidera à déterminer si certaines des galaxies satellites d'Andromède orbitent à l'intérieur d'un plan plat, comme les planètes autour de notre Soleil. S'ils le font, cela aurait des implications importantes pour comprendre la formation des galaxies. Le chercheur principal des deux programmes est Roeland van der Marel du Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland.

Observation des mouvements stellaires dans les compagnons des galaxies naines de la Voie lactée

Les galaxies les plus proches de notre propre Voie lactée sont ses galaxies naines compagnes, qui sont beaucoup plus petits que la Voie Lactée. Van der Marel et son équipe prévoient d'étudier les mouvements des étoiles dans deux de ces galaxies naines, Drago et sculpteur. Les orbites des étoiles sont régies par la gravité provenant de la matière noire dans chaque galaxie. En étudiant le mouvement des étoiles, les chercheurs pourront déterminer comment la matière noire est distribuée dans ces galaxies.

"La façon dont les structures de l'univers se sont formées dépend des propriétés de la matière noire qui constitue la majeure partie de la masse de l'univers, " expliqua van der Marel. " Nous savons donc qu'il y a de la matière noire, mais nous ne savons pas ce qui compose réellement cette matière noire. Nous savons juste qu'il y a quelque chose dans l'univers qui a de la gravité et qui tire sur les choses, mais nous ne savons pas vraiment ce que c'est."

L'équipe étudiera la répartition de la matière noire au centre des galaxies naines afin de déterminer les propriétés thermiques de ce mystérieux phénomène. Si la matière noire est "froide, " sa densité sera très élevée près des centres des galaxies. Si la matière noire est " chaude, " il sera plus homogène dans toute la zone se rapprochant des centres galactiques.

En même temps, la caméra proche infrarouge de Webb (NIRCam) étudie les centres de Draco et du sculpteur, un autre instrument, l'imageur proche infrarouge et le spectrographe sans fente (NIRISS), va sonder la périphérie des galaxies naines. "Ces observations simultanées donneront un aperçu de la façon dont les étoiles se déplacent différemment près du centre et de la périphérie des galaxies naines, " a déclaré le co-investigateur Tony Sohn de STScI. " Ils permettront également deux mesures indépendantes de la même galaxie, pour vérifier les effets systématiques ou instrumentaux.

Parce que Webb a environ six fois la zone de collecte de lumière du télescope spatial Hubble de la NASA, l'équipe peut mesurer les mouvements des étoiles beaucoup plus faibles que ce que Hubble peut voir. Plus il y a d'étoiles incluses dans une étude, plus l'équipe peut modéliser avec précision la matière noire qui influence ses mouvements.

Étudier le mouvement des compagnons des galaxies naines vers Andromède

La grande galaxie voisine la plus proche de notre Voie lactée, Andromède a de nombreux compagnons de galaxies naines, tout comme la Voie Lactée. Van der Marel et son équipe prévoient d'étudier comment quatre de ces galaxies naines se déplacent autour d'Andromède, pour déterminer s'ils sont regroupés dans un plan de l'espace, ou s'ils se déplacent autour d'Andromède dans toutes les directions.

Contrairement au premier programme d'observation, l'équipe n'essaie pas de mesurer comment les étoiles à l'intérieur des galaxies naines se déplacent. Dans cette étude, ils essaient de déterminer comment les galaxies naines dans leur ensemble se déplacent autour d'Andromède. Cela fournira des informations sur le processus par lequel les grandes galaxies se forment par accrétion et accumulation de galaxies plus petites, et comment cela fonctionne exactement.

Dans la plupart des modèles, les galaxies naines qui entourent les plus grandes galaxies ne devraient pas se trouver dans un plan. Typiquement, les scientifiques s'attendraient à ce que les galaxies naines volent autour de plus grandes galaxies de manière aléatoire. Lentement, ces compagnons nains perdraient de l'énergie et s'accumuleraient dans la plus grande galaxie, qui grossirait encore.

Cependant, tant pour la Voie Lactée que pour Andromède, plusieurs études ont suggéré qu'au moins une partie des galaxies naines se trouvent dans un plan, et peut même être en rotation dans ce plan. L'un des moyens de déterminer si cela est vrai est de mesurer leurs mouvements tridimensionnels. Si les mouvements sont réellement dans le plan, cela suggérerait que les galaxies naines resteront dans un avion. Mais si les nains compagnons semblent être dans un plan mais que leurs mouvements sont dans toutes les directions, cela indiquerait un alignement aléatoire et non une structure durable.

Si les galaxies naines s'alignent dans un plan, cela peut signifier plusieurs choses. Il se pourrait qu'une bonne fraction des compagnons nains soient tombés en orbite autour d'Andromède en un seul groupe. Si tel était le cas, les nains garderaient la "mémoire" qu'ils sont tous tombés ensemble, et ils présenteraient des propriétés dynamiques similaires en ce moment.

Une autre possibilité est que les galaxies naines d'Andromède se soient formées comme ce qu'on appelle des « galaxies naines de marée ». Ces collections de gaz et d'étoiles liées gravitationnellement se forment lors de fusions ou d'interactions entre de grandes galaxies spirales. Elles sont aussi massives que les galaxies naines mais ne sont pas dominées par la matière noire, comme le pensent les scientifiques, la plupart des galaxies naines qui nous entourent. Il est possible qu'une fusion de deux grandes galaxies avec beaucoup de gaz puisse former des galaxies naines qui se retrouvent dans une seule structure plane, mais ce serait inhabituel, parce que les scientifiques ne pensent pas que les galaxies naines de marée sont le type prédominant de galaxies naines dans l'univers. Les galaxies naines sont généralement connues pour se former à l'intérieur de nuages ​​de matière noire appelés halos.

Dans les deux cas, la formation des galaxies pourrait être plus compliquée que les chercheurs ne le pensent parfois. L'un ou l'autre fournirait des contraintes supplémentaires aux scientifiques qui développent des modèles théoriques de formation des galaxies.

L'extrême précision et précision de Webb

Dans les deux programmes, l'équipe poussera Webb à ses limites en termes d'exactitude et de précision. "C'est une situation très délicate, parce que ce que nous voulons mesurer, ce sont de très petits mouvements, " a expliqué le co-investigateur Andrea Bellini de STScI. " La précision que nous voulons atteindre est comme mesurer quelque chose qui se déplace de quelques centimètres par an à la surface de la Lune, vu de la Terre."

Les deux études sont des programmes d'observations en temps garanti (GTO) attribués à l'équipe du scientifique du télescope Webb, Matt Montagne. Il est également président de l'Association des universités pour la recherche en astronomie (AURA), dont le siège est à Washington, D.C.

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regarder au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles, et sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place dans celui-ci. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.