Une équipe d'astrophysiciens vient de découvrir l'étendue du halo d'une galaxie naine ultra-diffuse et ultra-vieille : Tucana II. Elle apparaît bien plus étendue que ce que l'on pensait et se trouve être la galaxie la plus pauvre en métaux que nous connaissons. Une étude publiée dans Nature Astronomy.
Tucana II se situe à 50 kpc de la Voie Lactée (163 000 années-lumière), et possède très peu d'étoiles, seulement 3000 masses solaires en étoiles. Elle fait partie des dizaines de galaxies naines ultra-diffuses qui se trouvent en orbite autour de la Voie Lactée (qui sont caractérisées par une luminosité inférieure à 100 000 luminosités solaires). De telles galaxies très petites et très peu lumineuses sont les résidus des toutes premières galaxies, ce que l'on peut déduire à partir de la composition chimique de leurs étoiles. Les simulations cosmologiques suggèrent que ces galaxies se sont formées au sein de halos de matière noire étendus et ont connu des fusions galactiques précoces avec les effets de rétroaction associés.
Anirudh Chiti (MIT) et ses collaborateurs ont exploré la périphérie de Tucana II à la recherche de faibles étoiles géantes rouges, jusqu'à une distance du centre la galaxie égale à neuf fois le rayon où on observe une baisse de luminosité d'un facteur 2 par rapport au centre, ce que les astronomes appellent le "rayon de demi-lumière". On n'avait encore jamais pu explorer une telle galaxie ultra-diffuse aussi loin de son centre du fait du très faible nombre d'étoiles qui y résident. Les précédentes études spectroscopiques n'étaient allé jusqu' à 2 rayons de demi-lumière.
Anirudh Chiti et son équipe ont utilisé pour cela des images grand-champ de 2°x 2° obtenues avec le télescope SkyMapper de 1,3 m de l'Université Nationale Australienne puis a ensuite utilisé le télescope Magellan de 6,5 m pour obtenir les spectres des étoiles candidates. L'équipe a ainsi trouvé 9 étoiles de faible métallicité qui appartiennent avec certitude à Tucana II malgré leur grande distance de son centre.
Chiti et ses collaborateurs montrent à quel point ces étoiles excentrées de Tucana II sont extrêmement pauvres en éléments lourds (en métaux). Leur abondance en fer relativement à l'hydrogène est en moyenne 1000 fois plus faible que ce que nous connaissons sur le Soleil (elles ont une métallicité moyenne de -3) la moins métallique atteignant une valeur 3000 fois plus faible que sur le Soleil (une métallicité de -3,5). Cela indique qu'il s'agit d'étoiles très anciennes, qui se sont formées alors qu'encore très peu d'étoiles avaient déjà explosé en ensemençant le milieu en éléments plus lourds que l'hélium.
En observant les étoiles périphériques de Tucana II, les astrophysiciens peuvent établir la présence d'un halo de matière noire qui est très étendu autour de la galaxie, jusqu'à 1 kpc, et qui aurait une masse supérieure à 10 millions de masses solaires, seule façon de maintenir les étoiles liées gravitationnellement.
Tucana II est donc extrêmement dominée par la matière noire, avec un rapport Masse/Luminosité qui est égal à environ 2000... Le profil de densité du halo de matière noire que les chercheurs déterminent est conforme avec le profil de densité théorique typique de Navarro–Frenk–White généralisé.
Pour les chercheurs, l'étendue remarquable de Tucana II semble indiquer qu'elle a connu un effet de rétroaction "dispersant" ou bien une collision très précoce dans son histoire. Ils étayent cette conclusion par le fait que les étoiles de la périphéries apparaissent plus primitives que les étoiles du coeur de la galaxie. En effet, la métallicité des étoiles du coeur, qui a été déterminée avec le télescope Magellan, est plus élevée (-2.7) que celle des 9 étoiles de la périphérie (-3). Leur abondance en métaux est donc environ 2 fois plus élevée. Tucana II pourrait alors être le résultat d'une des premières fusions galactiques qui auraient impliqué, selon Chiti et ses collaborateurs, une bébé galaxie très primitive et une autre un peu moins. En d'autres termes, cette différentiation entre populations d'étoiles dans Tucana II pourrait être la signature du plus ancien cas de cannibalisme galactique.
Ce que révèle cette étude en tous cas, c'est que les populations stellaires très étendues spatialement dans les galaxies ultra diffuses sont tout de même observables quand on y met le temps qu'il faut. De quoi explorer les caractéristiques cachées de ces galaxies reliques très riches en matière noire.
Source
An extended halo around an ancient dwarf galaxy
Anirudh Chiti, Anna Frebel, Joshua D. Simon, Denis Erkal, Laura J. Chang, Lina Necib, Alexander P. Ji, Helmut Jerjen, Dongwon Kim & John E. Norris
Nature Astronomy (1 february 2021)
Illustration
Image du voisinage de Tucana II obtenue avec le télescope SkyMapper (Anirudh Chiti, MIT)
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