Une galaxie annulaire collisionnelle source de rayons gamma

Une équipe de chercheurs rapporte pour la première fois, l’observation d’une galaxie annulaire collisionnelle formée à la suite de la traversée d'une grande galaxie par une galaxie « balle » plus petite, qui se trouve être la contrepartie d'une source de rayons gamma qui n’avait pas encore pu être associée (4FGL J1647.5-5724). Le système, également connu sous le nom de « roue de Kathryn», contient deux galaxies irrégulières naines et une galaxie spirale de type tardif entourée d'un anneau de nœuds de formation d'étoiles. L’étude est publiée dans The Astrophysical Journal Letters.

Les photons γ astrophysiques portent les signatures des phénomènes violents qui se produisent à différentes échelles astronomiques. Il s'agit notamment des restes de supernova, des pulsars et des nébuleuses de vent de pulsar dans l'environnement galactique, et des jets relativistes extragalactiques associés aux noyaux actifs de galaxie. Mais environ 30% des sources de photons γ qui ont été détectées avec Fermi LAT ne sont pas associées à des contreparties dans d’autres longueurs d'onde, ce qui empêche de caractériser leur origine.

Trouver la source d'émission des photons γ est non seulement essentiel pour comprendre les processus radiatifs et l'interaction de la population de particules avec le milieu ambiant, mais aussi pour révéler l'origine du fond diffus extragalactique de rayons γ. De plus, avec l'avènement de l'astronomie à multimessagers, les sources de rayons γ sont devenues des candidates prometteuses pour les neutrinos cosmiques détectés avec l'observatoire IceCube. Dans le ciel γ extragalactique, les blazars, c'est-à-dire les noyaux actifs de galaxie hébergeant des jets relativistes étroitement alignés avec la ligne de visée, constituent la classe de sources la plus abondante. D'autre part, les galaxies radio et les galaxies à formation d'étoiles forment une fraction mineure (moins de 10%) de la population connue de sources de rayons γ, comme l’avaient montré Ajello et al. en 2020 et 2022. On estime qu’une fraction importante des sources non associées détectées par le télescope Fermi-Large Area Telescope (LAT) devraient être des AGN à jet. Cependant, grâce aux données multi-longueur d'onde sensibles et à haute résolution des derniers relevés, par exemple celui de e-ROSITA, le potentiel de découverte pour identifier une population de sources émettant des rayons γ, sans jets, reste élevé.

4FGL J1647.5-5724 est une de ces sources de rayons γ qui était non associée à d’autres signaux, elle est apparue pour la première fois en 2020 dans la deuxième livraison de données du quatrième catalogue des sources γ détectées par Fermi-LAT (4FGL-DR2). Les astronomes indiens Vaidehi Paliya et D. Saikia (Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, Pune) ont cherché un objet qui existerait dans le voisinage proche de cette source gamma orpheline. Ils ont utilisé les observations du télescope spatial Swift, du réseau de radiotélescopes ASKAP, du relevé SuperCOSMOS Hα, du Dark Energy, et du Very Large Telescope,  tout ça pour vérifier l’existence d’une association avec 4FGL J1647.5-5724 et pour explorer le lien qui pourraient exister entre les activités de formation d'étoiles et l'émission de rayons γ observée. 

Paliya et Saikia arrivent à établir une association entre la position de la source gamma et la position d’un système de galaxies à anneau collisionnel qui avait été surnommé « Kathryn's Wheel » par Parker et al. en 2015 (du nom du feu d'artifice éponyme).  

Il s’agit d’une structure un peu énigmatique. Une structure galactique annulaire se forme généralement lorsqu'une petite galaxie « balle » vient traverser violemment  le petit axe d'une autre galaxie plus grande près de son centre. L'onde de choc produite balaye et expulse le gaz du système, laissant derrière elle un anneau de régions de formation d'étoiles et une galaxie pauvre en gaz. Quelques exemples connus de tels systèmes sont les galaxies Cartwheel, Arp 147, ou encore Arp 148. Selon les chercheurs, l'émission gamma dans ce système de galaxies à anneaux collisionnels provient probablement d'une activité vigoureuse de formation d'étoiles. Mais ils ne peuvent pas exclure d'autres contributions, comme les restes de supernova, les pulsars, les nébuleuses de vent de pulsar et les AGN enfouis. Car les chercheurs 

trouvent que la formation d'étoiles ne peut pas expliquer à elle seule l'émission de rayons γ observée, et qu'une contribution supplémentaire provenant probablement des pulsars/restes de supernova ou des AGN enfouis est donc nécessaire pour coller aux observations. Des observations à l'échelle de la seconde d'arc ou de la sous-seconde d'arc de cette extraordinaire collision de galaxies émettant des rayons γ seront selon eux nécessaires pour résoudre complètement l'environnement et explorer l'origine des rayons cosmiques.

Puisque l'émission de photons γ détectée dans les galaxies à formation d'étoiles est censée être produite par l'interaction des rayons cosmiques avec le milieu interstellaire dense, grâce à sa proximité avec la Voie lactée (environ 10 mégaparsecs), ce système offre en tous cas une occasion unique d'explorer les sites d'accélération et de propagation des rayons cosmiques.

Source

A γ-Ray-emitting Collisional Ring Galaxy System in Our Galactic Neighborhood

Vaidehi S. Paliya and D. J. Saikia

The Astrophysical Journal Letters, Volume 967, Number 2 (22 may 2024)

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad4999

Illustrations

1. Le système de galaxies Kathryn's wheel imagé en ondes radio (Vaidehi S. Paliya and D. J. Saikia)

2. Le système de galaxies Kathryn's wheel imagé par le télescope chilien CTIO

3. Vaidehi S. Paliya