Les résultats – publiés ce mois-ci Le Journal Astronomique — offrir un aperçu d’une multitude de domaines astrophysiques. Les résultats, par exemple, éclairent l’histoire de notre galaxie et de l’évolution galactique, tout en offrant des indices sur la chasse en cours à la mystérieuse substance connue sous le nom de matière noire.

« La forme du halo stellaire est un paramètre très fondamental que nous venons de mesurer avec une plus grande précision qu’auparavant », déclare l’auteur principal de l’étude Jiwon « Jesse » Han, doctorant au Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian. « Il y a beaucoup d’implications importantes dans le fait que le halo stellaire n’est pas sphérique mais plutôt en forme de ballon de football, de rugby ou de zeppelin – faites votre choix! »

« Pendant des décennies, l’hypothèse générale a été que le halo stellaire est plus ou moins sphérique et isotrope, ou le même dans toutes les directions », ajoute le co-auteur de l’étude Charlie Conroy, conseiller de Han et professeur d’astronomie à l’Université de Harvard et au Centre d’Astrophysique. « Nous savons maintenant que l’image classique de notre galaxie intégrée dans un volume sphérique d’étoiles doit être jetée. »

Le halo stellaire de la Voie Lactée est la partie visible de ce qu’on appelle plus largement le halo galactique. Ce halo galactique est dominé par de la matière noire invisible, dont la présence n’est mesurable qu’à travers la gravité qu’elle exerce. Chaque galaxie possède son propre halo de matière noire. Ces halos servent comme une sorte d’échafaudage sur lequel s’accroche la matière visible ordinaire. À son tour, cette matière visible forme des étoiles et d’autres structures galactiques observables. Pour mieux comprendre comment les galaxies se forment et interagissent, ainsi que la nature sous-jacente de la matière noire, les halos stellaires sont donc des cibles astrophysiques précieuses.

« Le halo stellaire est un traceur dynamique du halo galactique », explique Han. « Afin d’en savoir plus sur les halos galactiques en général, et en particulier sur le halo galactique et l’histoire de notre propre galaxie, le halo stellaire est un excellent point de départ. »

Sonder la forme du halo stellaire de la Voie lactée, cependant, a longtemps défié les astrophysiciens pour la simple raison que nous y sommes intégrés. Le halo stellaire s’étend sur plusieurs centaines de milliers d’années-lumière au-dessus et au-dessous du plan rempli d’étoiles de notre galaxie, où réside notre système solaire.

« Contrairement aux galaxies externes, où nous nous contentons de les regarder et de mesurer leurs halos », explique Han, « nous n’avons pas le même genre de perspective aérienne et extérieure du halo de notre propre galaxie. »

Pour compliquer encore les choses, le halo stellaire s’est avéré assez diffus, ne contenant qu’environ un pour cent de la masse de toutes les étoiles de la galaxie. Pourtant, au fil du temps, les astronomes ont réussi à identifier plusieurs milliers d’étoiles qui peuplent ce halo, qui se distinguent des autres étoiles de la Voie lactée en raison de leur composition chimique distinctive (mesurable par des études de leur lumière stellaire), ainsi que par leurs distances et leurs mouvements à travers Le ciel. Grâce à de telles études, les astronomes ont réalisé que les étoiles à halo ne sont pas uniformément réparties. L’objectif a depuis été d’étudier les modèles de surdensités d’étoiles – apparaissant spatialement sous forme de grappes et de flux – pour trier les origines ultimes du halo stellaire.

La nouvelle étude des chercheurs et collègues du CfA s’appuie sur deux ensembles de données majeurs recueillis ces dernières années qui ont sondé le halo stellaire comme jamais auparavant.

Le premier ensemble provient de Gaia, un vaisseau spatial révolutionnaire lancé par l’Agence spatiale européenne en 2013. Gaia a continué à compiler les mesures les plus précises des positions, des mouvements et des distances de millions d’étoiles dans la Voie lactée, y compris certaines étoiles de halo stellaires à proximité. .

Le deuxième ensemble de données provient de H3 (Hectochelle dans le halo à haute résolution), une enquête au sol menée au MMT, situé à l’observatoire Fred Lawrence Whipple en Arizona, et une collaboration entre le CfA et l’Université de l’Arizona. H3 a recueilli des observations détaillées de dizaines de milliers d’étoiles de halo stellaires trop éloignées pour que Gaia puisse les évaluer.

La combinaison de ces données dans un modèle flexible qui a permis à la forme du halo stellaire d’émerger de toutes les observations a donné le halo décidément non sphérique – et la forme du football s’accorde parfaitement avec d’autres découvertes à ce jour. La forme, par exemple, est indépendamment et fortement en accord avec une théorie de premier plan concernant la formation du halo stellaire de la Voie lactée.

Selon ce cadre, le halo stellaire s’est formé lorsqu’une galaxie naine solitaire est entrée en collision il y a 7 à 10 milliards d’années avec notre galaxie beaucoup plus grande. La galaxie naine disparue est connue de manière amusante sous le nom de Gaia-Sausage-Encelade (GSE), où « Gaia » fait référence au vaisseau spatial susmentionné, « Sausage » pour un motif apparaissant lors du traçage des données de Gaia et « Encelade » pour le géant mythologique grec qui était enterré sous une montagne – un peu comme la façon dont GSE a été enterré dans la Voie lactée. À la suite de cet événement de collision galactique, la galaxie naine a été déchirée et ses étoiles constituantes éparpillées dans un halo dispersé. Une telle histoire d’origine explique la dissemblance inhérente des étoiles du halo stellaire aux étoiles nées et élevées dans la Voie lactée.

Les résultats de l’étude expliquent en outre comment GSE et la Voie lactée ont interagi il y a des éons. La forme du football – techniquement appelée ellipsoïde triaxial – reflète les observations de deux empilements d’étoiles dans le halo stellaire. Les empilements se sont apparemment formés lorsque GSE a traversé deux orbites de la Voie lactée. Au cours de ces orbites, GSE aurait ralenti deux fois aux soi-disant apocentres, ou aux points les plus éloignés de l’orbite de la galaxie naine du plus grand attracteur gravitationnel, la lourde Voie lactée ; ces pauses ont entraîné la perte supplémentaire d’étoiles GSE. Pendant ce temps, l’inclinaison du halo stellaire indique que GSE a rencontré la Voie lactée sous un angle incident et non en ligne droite.

« L’inclinaison et la distribution des étoiles dans le halo stellaire fournissent une confirmation spectaculaire que notre galaxie est entrée en collision avec une autre galaxie plus petite il y a 7 à 10 milliards d’années », a déclaré Conroy.

Notamment, tant de temps s’est écoulé depuis le fracas GSE-Milky Way que l’on aurait pu s’attendre à ce que les étoiles du halo stellaire s’installent dynamiquement dans la forme sphérique classique longtemps supposée. Le fait qu’ils ne l’aient pas fait parle probablement du halo galactique plus large, selon l’équipe. Cette structure dominée par la matière noire est elle-même probablement de travers et, par sa gravité, maintient également le halo stellaire décalé.

« Le halo stellaire incliné suggère fortement que le halo de matière noire sous-jacent est également incliné », explique Conroy. « Une inclinaison du halo de matière noire pourrait avoir des ramifications importantes sur notre capacité à détecter les particules de matière noire dans les laboratoires sur Terre. »

Le dernier point de Conroy fait allusion aux multiples expériences de détection de matière noire actuellement en cours et prévues. Ces détecteurs pourraient augmenter leurs chances de capturer une interaction insaisissable avec la matière noire si les astrophysiciens pouvaient déterminer où la substance est plus fortement concentrée, galactiquement parlant. Au fur et à mesure que la Terre se déplacera dans la Voie lactée, elle rencontrera périodiquement ces régions de particules de matière noire denses et à plus grande vitesse, augmentant ainsi les chances de détection.

La découverte de la configuration la plus plausible du halo stellaire devrait faire avancer de nombreuses recherches astrophysiques tout en fournissant des détails de base sur notre place dans l’univers.

« Ce sont des questions intuitivement intéressantes à poser sur notre galaxie : ‘A quoi ressemble la galaxie ?’ et « À quoi ressemble le halo stellaire ? », explique Han. « Avec cette ligne de recherche et d’étude en particulier, nous répondons enfin à ces questions. »