Après de nombreuses simulations pour reproduire les observations de l'aspect déformé de notre galaxie qu'avait trouvé le télescope Gaia, une équipe de chercheurs montre que cette déformation et cet évasement très particuliers sont bien reproduits par l'effet d'un halo de matière noire qui serait légèrement décalé par rapport au disque galactique. Ils publient leur étude dans Nature Astronomy.
Les mesures astrométriques du télescope Gaia ont montré que le disque externe de la Voie Lactée était déformé et évasé. Plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer ces phénomènes, mais aucun jusqu'ici n’a reproduit quantitativement les deux caractéristiques. Et des travaux récents ont démontré que le halo stellaire galactique (le halo d'étoiles) est incliné par rapport au plan du disque (le plan du disque ne le coupe pas tout à fait en son milieu), ce qui suggère qu'au moins une partie du halo de matière noire pourrait également être inclinée et que ce pourrait être lié à la déformation du disque... Jiwon Jesse Han (Harvard Smithonian Center for Astrophysics) et ses collaborateurs ont entrepris d'étudier si un tel décalage du halo de matière noire pouvait produire cette déformation. Ils ont utilisé des simulations de la dynamique des étoiles et du gaz de notre galaxie ainsi que d'un halo de matière noire.
Plus précisément, Han et ses collaborateurs ont construit un modèle du potentiel gravitationnel de la Galaxie dans lequel 30% de la masse du halo sombre serait constitué d'une distribution triaxiale inclinée de 25° par rapport au plan du disque. Le potentiel comprend également une composante renflée et une composante de disque, cette dernière augmentant avec le temps pour imiter la croissance du disque galactique avec le temps. Ils calculent les orbites de particules sans collision (les étoiles) et collisionnelles (le gaz) sur 5 Gigannées dans ce potentiel. En traçant la hauteur verticale galactocentrique z et le rayon cylindrique signé r, ils révèlent clairement une déformation en forme de S du disque.
Les chercheurs trouvent qu'un halo sombre incliné dans la même direction que le halo stellaire peut effectivement induire une déformation et un évasement dans le disque galactique avec la même amplitude et la même orientation que les données d'observation. Dans leur modèle, la distorsion est visible à la fois dans le gaz et dans les étoiles de tous âges.
De plus, la simulation de halo incliné produit une population d'étoiles sur des orbites circulaires qui atteignent les hautes latitudes ( ∣ z ∣ > 2 kpc) de chaque côté des extrema de distorsion. Cette population d'étoiles rappelle les surdensités stellaires qui ont été observées vers l'anticentre galactique.
Parmi les modèles récemment étudiés pour tenter d'explique la déformation particulière du disque de la Voie Lactée, on trouve l'influence des marées du Grand Nuage de Magellan (LMC). Les chercheurs ont tracé la déformation du disque à R = 16 kpc produite par le modèle de halo incliné et un modèle du LMC en fonction de la longitude galactique. Même pour la masse du LMC la plus élevée, l'amplitude de distorsion obtenue est inférieure au tiers de l'amplitude observée. En additionnant les amplitudes de distorsion du LMC et des modèles de halo incliné, le modèle combiné obtenu correspond mieux aux observations que le halo incliné seul, mais les chercheurs préviennent que cette simple sommation ne capture pas le couplage possible entre l'effet du LMC et le halo incliné.
Ces résultats fournissent selon eux une preuve irréfutable que notre Galaxie est intégrée dans un halo de matière noire incliné. De plus, Han et al., au moment où parait leur article dans Nature Astronomy, viennent de soumettre un nouvel article à The Astrophysical Journal qu'ils ont publié sur le serveur de préprints arXiv. Dans cet article qui n'a pas encore été accepté pour publication, mais dont exceptionnellement je vous parle quand même, ils montrent que dans des simulations de galaxies Illustris TNG50, de tels halos sombres inclinés durent longtemps et peuvent déformer les disques galactiques de galaxies semblables à la Voie Lactée. Ces simulations magnéto-hydrodynamiques cosmologiques montrent d’abord qu’une fraction substantielle des analogues de la Voie lactée présentent actuellement des halos sombres inclinés. Environ 50 % des halos sont inclinés de plus de 10° et 25 % des halos sont inclinés de plus de 20°. Ensuite, ils identifient une galaxie qui a connu une fusion majeure il y a environ 7 Gigannées, ce qui a donné lieu à un halo sombre incliné dans la simulation. Pour cette galaxie, l'angle de désalignement du disque et du halo sombre se réduit de 50° à 20° en l'espace de 5 Gigannées. De plus, le disque de cette galaxie se déforme peu de temps après l’apparition du halo sombre incliné, dans un délai inférieur à 1 Gigannée. A noter que cette galaxie ne possède pas de satellites massifs au moment du début de la distorsion. Et il faut rappeler que la simulation TNG50 n’a en aucun cas été réglée pour produire de tels résultats, les halos sombres inclinés et les distorsions de longue durée émergent naturellement dans les simulations. Ces résultats montrent que les halos sombres inclinés peuvent durer longtemps dans un environnement cosmologique changeant et générer des déformations dans les disques galactiques sur des échelles de temps plus courtes que le changement de l'angle d'inclinaison. De plus, ce résultat montre que le halo sombre de la Voie lactée était probablement plus incliné dans le passé et aurait diminué jusqu'à sa valeur actuelle (~25 ∘ ) aujourd'hui.
Selon les chercheurs, une origine plausible d'un halo sombre incliné dans la Voie Lactée serait donc une fusion majeure qui se serait passée il y a 8 à 10 Gigannées. Celle-ci aurait déposé une fraction substantielle de matière noire sur une orbite excentrique et inclinée. Les modèles dynamiques de la Galaxie supposent souvent un halo sombre sphérique à toutes les échelles ou un halo aplati aligné avec le disque. Un halo sombre incliné aurait de nouvelles applications pour la dynamique galactique. Par exemple, un halo sombre incliné et triaxial influence la forme du halo stellaire et peut affecter la reconstruction de l'orbite des trainées stellaires. De plus, l'inclinaison et la triaxialité du halo sombre interne devrait coder des informations sur les propriétés d'auto-interaction de la matière sombre. Et ça, c'est précieux, les autres sondes de ce type étant à beaucoup plus grande échelle, telles que les amas de galaxies ou les structures encore plus grandes. De plus, une inclinaison globale du halo sombre devrait impliquer une distribution de vitesse anisotrope des particules de matière noire. La distribution asymétrique des vitesses qui en résulte devrait alors affecter les expériences de détection directe de matière noire sur Terre.
Pour Han et ses collaborateurs, il reste beaucoup à explorer en étudiant des modèles de halo plus flexibles. Par exemple, la distorsion est sensible à l'angle d'inclinaison du halo sombre et à la fraction de masse dans la composante inclinée. La modélisation conjointe des nombreux traceurs de la déformation du disque à différents âges et rayons galactiques constitue logiquement la prochaine étape dans la découverte de la répartition de la matière noire dans la Voie Lactée.
Source
A tilted dark halo origin of the Galactic disk warp and flare
Jiwon Jesse Han et al.
Nature Astronomy (14 september 2023)
Illustrations
1. Vue d'artiste de la torsion du disque galactique vue par le télescope Gaia (ESA)
2. Simulation du disque galactique avec un halo de matière sombre incliné (Han et al.)
3. Jiwon Jesse Han
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