Traquer les étoiles fugitives pour dévoiler la matière noire de la Voie lactée

Une chasse aux étoiles hypervéloces

Depuis les années 1920, les astronomes utilisent un outil fascinant pour tenter de comprendre les propriétés de notre galaxie, la Voie lactée : les étoiles à hypervitesse. C’est un peu comme essayer de comprendre la forme d’un immense bâtiment en regardant comment les gens s’en échappent en courant… enfin, c’est une image. Ces astres nous renseignent sur le potentiel gravitationnel et la distribution de la matière.

Récemment, une équipe d’astronomes chinois a décidé de passer à la vitesse supérieure. Ils ont mené une recherche à grand volume, une véritable traque cosmique, en se concentrant sur une classe d’étoiles bien particulière. Leurs travaux, qui ont été publiés dans The Astrophysical Journal, se basent sur des étoiles connues pour leur comportement de pulsation distinct, régulier et, disons-le, très pratique pour les scientifiques car il est prévisible. Ce sont d’excellents indicateurs de distance.

Mais avant de plonger dans les détails de leur découverte, il faut comprendre ce que signifie vraiment « quitter » une galaxie ou une planète. C’est une question de vitesse, mais pas n’importe laquelle.

Vitesse de libération et mécanique céleste

Parlons un peu de physique, mais restons simples. La vitesse de libération, c’est la vitesse qu’une masse doit atteindre au départ de la surface d’un objet pour s’échapper totalement et définitivement de son puits gravitationnel, sans jamais revenir. Pour la Terre, cette vitesse est de 11,2 kilomètres par seconde (km/s). Si un objet quitte notre surface à cette vitesse initiale, et sans énergie supplémentaire, il échappera à l’emprise terrestre.

On a d’ailleurs des exemples concrets, parfois un peu effrayants. Des roches ont été éjectées de la Terre par des collisions d’astéroïdes par le passé — on sait que des échanges de roches ont eu lieu entre la Terre et Mars. Mais il y a une anecdote plus… explosive. En 1957, lors d’une explosion nucléaire souterraine au Nevada, on pense qu’un couvercle en acier recouvrant le trou de dynamitage a peut-être atteint l’espace. S’il ne s’est pas vaporisé en montant, il filait à une vitesse estimée à six fois la vitesse de libération de la Terre ! C’est fou quand on y pense.

Pour le Soleil, c’est une autre paire de manches : la vitesse de libération est de 618 km/s. Cependant, depuis la position de la Terre, elle n’est que de 42 km/s, et d’environ 550 km/s depuis la position du Soleil dans la Voie lactée. Les étoiles à hypervitesse (HVS), elles, ne plaisantent pas : elles affichent des vitesses tangentielles de 1 000 km/s ou plus. À cette allure, elles ne sont plus liées gravitationnellement à la Voie lactée ; elles sont libres.

Mais comment atteignent-elles de telles vitesses ? Le scénario le plus probable implique une fronde gravitationnelle avec le trou noir supermassif au centre de notre galaxie, Sagittarius A*. C’est ce qu’on appelle le mécanisme de Hills, proposé par l’astronome Jack Hills en 1988. Imaginez un couple d’étoiles binaires qui s’approche trop près du trou noir. L’une est capturée, et l’autre est littéralement catapultée à une vitesse folle.

On a d’ailleurs observé une telle étoile éjectée pour la première fois en 2019. Elle s’éloignait du cœur de la Voie lactée à 1 755 km/s, soit 0,6 % de la vitesse de la lumière ! C’est supérieur à la vitesse de libération du centre galactique. Ces bolides confirment non seulement la présence des trous noirs supermassifs, mais en traçant leur trajectoire inverse, on peut cartographier le potentiel gravitationnel de la galaxie, y compris la mystérieuse matière noire cachée dans le halo, cette immense sphère qui entoure le disque galactique.

La méthode : Les étoiles RR Lyrae comme balises

C’est avec ces motivations en tête que trois astronomes d’institutions scientifiques de Pékin, dirigés par l’auteur principal Haozhu Fu de l’Université de Pékin, se sont lancés dans cette recherche. Ils ne cherchaient pas n’importe quoi : ils ont ciblé les étoiles RR Lyrae (RRL). Ce sont de vieilles étoiles géantes qui ont la particularité de pulser avec des périodes allant de 0,2 à un jour. On les trouve généralement dans le disque épais et le halo de la Voie lactée, et souvent dans les amas globulaires. Pour info, notre galaxie contient plus de 150 amas globulaires, dont environ un tiers forme un halo presque sphérique autour du centre.

Pourquoi ces étoiles ? Parce que leur luminosité intrinsèque — leur production totale d’énergie — est assez bien déterminée grâce à une relation mathématique qui lie leur période de pulsation, leur magnitude absolue et leur métallicité. En astronomie, la métallicité, c’est simplement l’abondance d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium (oui, pour les astronomes, tout le reste est du « métal »).

En connaissant leur production d’énergie absolue et l’énergie que nous recevons ici sur Terre, on peut calculer leur distance avec précision grâce à la loi de l’inverse du carré de la distance. C’est de la géométrie cosmique, en somme.

Pour leur étude, ils ont puisé dans des catalogues massifs. Un premier catalogue publié contenait 8 172 RRL provenant du Sloan Digital Sky Survey. Mais ils ont vu plus grand avec un catalogue étendu contenant 135 873 RRL. Pour ces dernières, la métallicité et la distance ont été estimées grâce à la photométrie Gaia. Gaia, c’est ce satellite lancé par l’Agence spatiale européenne (ESA) en 2013, qui mesure la luminosité des étoiles avec une précision diabolique.

Résultats : Une sélection drastique pour 87 candidates

Chercher des aiguilles dans une botte de foin, c’est un peu ça. En cherchant des RRL à hypervitesse, l’équipe a dû éliminer presque toutes les étoiles qui n’avaient pas les propriétés requises. Ils avaient surtout besoin de mesures spectroscopiques donnant des vitesses radiales (la vitesse d’éloignement par rapport au centre galactique) avec des incertitudes suffisamment faibles. Cela a réduit leur jeu de données de manière drastique, ne laissant que 165 RRL à hypervitesse potentielles.

Mais ils ne se sont pas arrêtés là. Le groupe a ensuite examiné la courbe de lumière de chaque étoile, sélectionnant les décalages Doppler pour ne garder que les plus fiables. Au final, ils ont identifié 87 étoiles à hypervitesse solides. Parmi elles, sept sortent du lot avec une vitesse tangentielle supérieure à 800 km/s.

Ces étoiles fugitives se divisent en deux groupes distincts. Le premier est concentré vers le centre galactique de la Voie lactée. Le second, lui, est localisé autour des Nuages de Magellan (le Grand et le Petit), ces deux galaxies naines irrégulières qui sont nos voisines proches. Leurs emplacements et leurs concentrations suggèrent fortement qu’elles ont atteint ce statut d’hypervitesse via le mécanisme de Hills ou quelque chose de similaire. Beaucoup avaient des mouvements dépassant la vitesse de libération de la Voie lactée, ce qui indique qu’elles ont probablement été éjectées de leurs systèmes hôtes.

L’équipe soupçonne que les futures observations du satellite Gaia et des analyses spectroscopiques plus poussées permettront de faire la lumière sur les origines exactes de ces éjections. Au final, identifier ces étoiles en fuite n’est pas juste un exercice de style ; cela permet d’étudier plus en profondeur les propriétés du halo de la Voie lactée. Et qui sait ? Peut-être éclaircirons-nous enfin le mystère de sa matière noire, qui reste l’une des énigmes les plus profondes de la physique moderne.

Selon la source : phys.org

Ce contenu a été créé avec l’aide de l’IA.