lundi 3 septembre 2018

La rotation interne des amas globulaires révélée par Gaia


Pour la première fois, la rotation interne des amas globulaires a pu être étudiée quantitativement, grâce aux données astrométriques de Gaïa qui fournit la vitesse des étoiles en 3 dimensions.




Des études de vitesse d'étoiles avaient déjà montré que les amas globulaires de notre galaxie devaient avoir une rotation interne significative. Mais aujourd'hui, grâce à la combinaison des données de vitesse radiale et de vitesse propre d'étoiles situées à l'intérieur de plusieurs dizaines d'amas globulaires, la rotation interne est clairement identifiée et quantifiée.
Paolo Bianchini (McMaster University, Hamilton) et ses collègues aux Etats-Unis et au Canada ont cherché à connaître le rôle du moment cinétique (la rotation) dans la formation et l'évolution des vieux systèmes stellaires. Ils ont donc logiquement exploité les précieuses données de Gaïa qui fournissent des données de position et de vitesses sur un grand nombre d'étoiles et parmi celles-ci, des étoiles d'amas globulaires de notre galaxie. Ils ont étudié 51 amas globulaires qui étaient potentiellement pertinents pour y déceler une vitesse de rotation supérieure à 1 km/s vu leur distance et leur nombre d'étoiles mesurées par Gaïa.
Dans ce vaste  échantillon, les chercheurs parviennent à identifier la signature d'une rotation interne avec une très bonne signifiance statistique, lorsque la vitesse moyenne des étoiles est non nulle, pour 11 d'entre eux, dont 8 sont des confirmations, des amas qui avaient déjà été identifiés comme tels dans les données de Gaïa il y a à peine quelques mois, et 11 nouveaux avec une signifiance un peu moins bonne.

Paolo Bianchini et son équipe publient leurs résultats dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. On y découvre qu'après avoir reconstruit les profils de rotation les cartographies de vitesse, les astronomes voient que la composante tangentielle de la rotation a une structure différentielle, avec une rotation faible vers le centre, puis qui augment pour atteindre un pic de vitesse de rotation (qui peut monter jusque 6 km/s et qui se situe entre 0,5 et 2 fois le rayon effectif des amas globulaires (le rayon effectif est le rayon dans lequel semble contenue la moitié de la lumière émise par l'amas), et enfin cette rotation décroit lorsqu'on s'éloigne encore du centre de l'amas.
Les astronomes observent également deux corrélations très intéressantes : la première entre le degré de rotation interne des amas globulaires et leur temps de relaxation (la durée caractéristique de leur "évaporation", c'est à dire la perte de leurs étoiles de faible masse). La seconde corrélation concerne la rotation interne et la métallicité de l'amas (son taux d'éléments plus lourds que l'hélium : les amas riches en "métaux" ont une vitesse de rotation plus élevée.
Ces deux corrélations indiquent que l'évolution dynamique à long terme des amas globulaires apparaît très importante pour façonner leurs caractéristiques actuelles. Le moment cinétique doit donc avoir joué un rôle important dans les premières phases de formation des amas globulaires, selon les chercheurs. 
En outre, à partir des cartographies de rotation des amas qu'ils ont pu construire, les astrophysiciens ont pu estimer par deux méthodes différentes l'inclinaison de l'axe de rotation pour un sous-groupe de 8 amas globulaires : NGC104, NGC4372, NGC5139, NGC5904, NGC6656, NGC6752, NGC7078, NGC7089, qui s'avèrent très divers, compris entre 26° et 75°.  Ce résultat donne une première étape dans la construction en 3D de leur structure interne, ce qui est tout à fait inédit.

Des études dynamiques en 3D des amas globulaires sont maintenant possibles et devront être menées pour pousser plus loin ces premiers résultats prometteurs pour comprendre la formation et l'évolution de ces groupes d'étoiles compacts qui ne ravissent pas seulement les astronomes amateurs...


Source

The internal rotation of globular clusters revealed by Gaia DR2
P Bianchini,  R P van der Marel,  A del Pino,  L L Watkins,  A Bellini,  M A Fardal, M Libralato,  A Sills
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (31 august 2018)


Illustrations

1) L'amas globulaire NGC 3201 imagé avec le télescope de 2,2 m de l'ESO à La Silla , qui fait partie de l'échantillon montrant une rotation interne. (ESO)

2) L'amas globulaire NGC 104 (plus conu sous le nom 47 Tucanae), imagé par le télescope Hubble, et qui fait partie de l'échantillon montrant une rotation interne (NASA/ESA)

8 commentaires :

Nickrich01 a dit…

Bonjour, petite question sans lien avec le sujet de votre article mais est-ce que on a découvert des planètes autour d’étoiles à l’intérieur d’un amas globulaire ? Je me demande si la proximité d’autant d’étoiles permet de maintenir un système planétaire stable comme le notre par exemple. Regarder le ciel à partir d’une planète au sein d’un amas doit être assez spécial !

Merci

Dr Eric SIMON a dit…

Je ne pense pas que parmi les quelques milliers de planètes trouvés à ce jour il y en ait qui soient situées dans un amas globulaire. Les techniques de détection utilisées (transit, ou décalage de vitesse de l'étoile) ne sont pas bien appropriées pour des étoiles dans un amas globulaire. Il est en effet possible qu'une planète en orbite autour d'une étoile possédant de très nombreuses voisines à proximité immédiate soit happée par le champ gravitationnel d'une étoile voisine après avoir été éjectée, et soit ballotée ainsi d'étoile en étoile... En effet, difficile de faire de l'astronomie quand le ciel est constellé de centaines de soleils, et que la nuit n'existe jamais... Les habitants potentiels de ces mondes n'ont aucune idée de ce que peut être l'Univers, hormis leurs quelques centaines ou milliers de soleils...

Pascal a dit…

En 2016, une seule planète avait été découverte dans un amas globulaire : PSR B 1620-26 b, dans M4 ; elle est exotique à bien des égards : géante gazeuse circumbinaire à 23 ua d'un pulsar milliseconde et d'une naine blanche, planète la plus agée connue (13 milliards d'années). La possibilité de formation de planètes rocheuses dans des systèmes anciens à faible métallicité reste semble-t-il débattue, ainsi que leur stabilité dans un milieu assez dense en étoiles pour jouer au billard planétaire (une planète dans la zone habitable d'une naine rouge serait sans doute assez stable ; par ailleurs selon un scénario envisagé, PSR B1620-26 b serait resté liée à son étoile, l'actuelle naine blanche, après la capture de celle-ci par l'actuel pulsar, au prix sans doute de modifications orbitales majeures...). Cf wikipedia.

Youx a dit…

Bonjour Eric,
Je ne comprend pas comment un objet sphérique peut avoir une rotation d'ensemble...
Dans une galaxie en forme de disque, chaque étoile tourne autour du centre de la galaxie, attirée par la masse de toutes les autres.
Mais dans un amas sphérique, une étoile qui serait au "pôle": Après une demi-rotation dans son orbite, doit se retrouver à l'autre pôle, et ne participe pas au mouvement des étoiles se trouvant à l'équateur!
Que chaque étoile ait une rotation propre, c'est logique. Qu'elles tournent toutes autour d'un axe imaginaire (qui n'est pas le lieu de la plus grande attraction), je conçois pas
???

Dr Eric SIMON a dit…

On ne parle pas de la rotation d'ensemble des amas, mais de la région centrale (donc pas d'étoiles situées aux pôles)

Youx a dit…

Si je comprend bien, au centre de l'amas se cache une sorte de mini galaxie.
Le reste de l'amas ne serait alors plus ou moins que l'équivalent du halo de cette mini galaxie.
Les étoiles situées dans le disque en rotation seraient-elles aussi, comme dans les "vraies" galaxies, moins vieilles que celles du halo?

Merci!

Dr Eric SIMON a dit…

Je crois que c'est plutôt le contraire, les plus vieilles se retrouvent vers le centre des amas globulaires.

Pascal a dit…

Bonjour,

Sauf élément nouveau, on considère que toutes les étoiles d'un amas globulaire donné ont le même age (et, pour la voie lactée, au moins 10 Ga) et même métallicité ; seule leur masse les différentie : en raison de leur évolution cinématique (évaporation) les étoiles centrales sont plus massives que les périphériques.

Même si les vitesses orbitales sont très dispersées et en première approximation isotropes, rien n’empêche le moment angulaire global d'un amas d'être non nul (ainsi schématiquement les orbites équatoriales peuvent être plus fréquentes dans un sens, et la moyenne de la précession des orbites polaires non nulle) ; et quelque soit son mode de formation il ne devait probablement pas être nul au début. A mon avis, il n'est pas nécessaire de supposer un disque central aplati.