jeudi 15 février 2018

La masse de la galaxie d'Andromède revue à la baisse


Des astronomes viennent de mesurer la masse de la galaxie d'Andromède par une méthode subtile et ils trouvent que M31 n'est pas plus massive que notre Galaxie. Avec 800 milliards de masses solaires, elle fait au contraire jeu égal...




On pensait que la galaxie d'Andromède était de deux à trois fois plus massive que la Voie Lactée et que par conséquent elle allait finir par nous absorber dans quelques milliards d'années. Ce scénario pourrait être très différent au vu de cette nouvelle évaluation de la masse de notre galaxie voisine. Au passage, cette nouvelle mesure indique que la quantité de matière noire dans la galaxie d'Andromède était surestimée d'un facteur 3.
Prajwal Kafle (University of Western Australia) et son équipe ont utilisé une technique de mesure subtile pour mesurer la masse. Ils ont calculé qu'elle était la vitesse d'échappement pour les étoiles de la galaxie d'Andromède. La vitesse d'échappement est la vitesse que doit atteindre un corps qui subit l'attraction gravitationnelle d'un autre corps pour s'en échapper définitivement. Cette vitesse d'échappement dépend bien sûr de la masse de l'objet attracteur et de la distance de son centre. A la surface de la Terre par exemple, cette vitesse vaut 11 km/s. La vitesse d'échappement d'une étoile de notre galaxie est de l'ordre de 550 km/s.
Prajwal Kafle et ses collègues ont donc examiné les orbites non pas d'étoiles mais de nébuleuses planétaires dans Andromède, 86 nébuleuses planétaires qui avaient été repérées pour leur grande vitesse et qui sont de très bons traceurs dans le disque de M31. A partir de ces observations, les chercheurs ont établi la valeur de la vitesse d'échappement en fonction de la distance galacto-centrique. Ils trouvent que cette vitesse d'échappement vaut par exemple 470±40 km s−1 à 15 kpc (49000 années-lumière) du centre de M31.
Les astrophysiciens ont également pu, par cette méthode, déterminer complètement le potentiel gravitationnel d'Andromède, et donc également son rayon en plus de sa masse totale. Ces deux paramètres valent respectivement 240 ± 10 kpc et 800 ± 100 ×109 M.
Ils font pour cela l'hypothèse d'une symétrie sphérique, en considérant trois composantes pour la galaxie  : le disque, le bulbe et le halo, avec des valeurs établies pour le bulbe et le disque de respectivement 34 milliards M et 69 milliards M.

Les auteurs comparent ensuite cette valeur de masse avec les prédictions du modèle ΛCDM, notamment la corrélation qui doit exister d'une part entre le ratio masse stellaire/masse de halo et la masse du halo et d'autre part entre la concentration du halo de matière noire et la masse totale de la galaxie. Il montrent que le cas d'Andromède ne colle pas avec la prédiction du modèle ΛCDM : la concentration du halo de matière noire apparaît trop élevée pour la masse totale mesurée, et le ratio masse stellaire/masse de halo serait elle aussi trop élevée pour la masse de halo déduite de la masse totale.

Et quand Prajwal Kafle et ses collègues reconstruisent la courbe de rotation d'Andromède (la vitesse circulaire en fonction du rayon), ils retrouvent cette fois un bon accord avec des observations indépendantes, pour une distance comprise entre 10 et 35 kpc du centre. Ils obtiennent par exemple une valeur de vitesse de rotation de 250 km/s sur la partie plate de la courbe, à partir d'un rayon de 15 kpc, ce qui apparaît tout à fait cohérent avec la relation de Tully-Fisher baryonique (la relation empirique qui relie la luminosité intrinsèque d'une galaxie spirale, qui est proportionnelle à sa masse stellaire (ou baryonique), et le maximum de sa courbe de rotation, avec un facteur de proportionnalité de 45 M/(km/s)4).

Pour comparaison, la masse de notre Galaxie, la Voie Lactée, avait été réestimée en 2014 par plusieurs méthodes assez similaires et donnait une valeur entre 800 et 1200 milliards de masses solaires au total, dont seulement 65 à 100 milliards de masses solaires baryonique, le restant étant de la masse sombre. Notre Voie Lactée n'a ainsi rien à envier à Andromède en terme de masse. Il se pourrait même que ce soit notre Galaxie qui soit finalement la plus grosse membre du Groupe Local, alors que l'on pensait jusqu'alors qu'Andromède régnait en maîtresse. 


Source

The Need for Speed: Escape velocity and dynamical mass measurements of the Andromeda galaxy
Prajwal R. Kafle, Sanjib Sharma, Geraint F. Lewis, Aaron S. G. Robotham, Simon P. Driver
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 475, Issue 3, (11 April 2018)

Illustrations 

1) La galaxie d'Andromède (M31) imagée en ultra-violet (NASA/JPL-Caltech)

2) La vitesse d'échappement mesurée en fonction du rayon galacto centrique dans M31 (Kafle et al.)