Les galaxies vides: les véritables univers insulaires

Pourquoi les Poissons A et B pourraient constituer la clé pour comprendre l'évolution précoce des galaxies naines.

Au début du XXe siècle, l’un des principaux points de discorde en astronomie était la nature des objets que nous connaissons maintenant sous le nom de galaxies. Certains, comme Harlow Shapely, les ont appelées «nébuleuses spirales», les croyant se situer dans les limites de la Voie Lactée, tandis que d'autres, comme Heber Curtis, ont utilisé le terme «univers insulaire» pour décrire une mer de galaxies dérivant à travers l'univers. La réponse à cette énigme aurait de profondes implications pour la taille de l'univers et la cosmologie dans son ensemble.

Aujourd’hui, nous savons que les galaxies se trouvent en dehors de la Voie lactée - c’est-à-dire la galaxie dans laquelle nous vivons. Cependant, elles ne ressemblent pas à des îles comme certains l’auraient cru. De nombreuses galaxies existent en groupes ou amas de galaxies, comptant des dizaines ou des milliers de membres. Nous nous situons à l’intérieur du groupe local, ainsi qu’Andromeda et Triangulum, et nous sommes entourés d’un essaim de galaxies satellites.

Une carte des vides et des superamas autour de la Voie Lactée, centrée sur le superamas de la Vierge. Le vide local est trop petit pour être vu. Crédit image: Andrew Z. Colvin, sous la licence Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

Il y a des exceptions à cette règle, bien sûr; toutes les galaxies ne font pas partie des amas. En fait, quelques cas obscurs se cachent dans des vides, d’énormes régions de plusieurs dizaines de mégaparsecs qui ne contiennent presque pas de galaxies et ne contiennent que de petites quantités de gaz extragalactique. Il est difficile de trouver ces galaxies vides, surtout s’ils sont ternes, mais comprendre comment ils se forment et évoluent peut nous conduire à une mine d’informations sur la manière dont l’univers se comporte à grande échelle, à partir bien sûr des vides.

Aujourd'hui, nous voyageons juste au-delà du groupe local, au bord du vide local. Ici se trouvent deux galaxies naines, Poissons A et Poissons B. Elles sont petites et sombres, et nous n’en savons toujours pas beaucoup, mais ce que nous savons a de profondes implications pour l’étude de la formation et de l’évolution des galaxies naines.

Nains pauvres en gaz et hydrogène neutre

La figure 1, Tollerud et al. 2015. Les images radio et optiques originales des Poissons A et B. La résolution est assez mauvaise, mais donne toujours des mesures de distance décentes.

Les poissons A et B ont été découverts il y a seulement quelques années, à l'aide des données de l'enquête GALFA-HI réalisée à l'observatoire d'Arecibo (Tollerud et al. 2015). GALFA-HI a mesuré les émissions dans la ligne des 21 cm, un indicateur clé des nuages ​​d'hydrogène neutre. Etant donné qu’une émission importante d’IH ne peut provenir que de régions riches en gaz, c’est un mauvais outil pour détecter les galaxies naines appauvries en gaz près de la Voie lactée - et un excellent moyen de trouver des galaxies contenant beaucoup d’hydrogène gazeux et la formation d’étoiles en cours.

Après l’identification de ces deux sources radio, des observations optiques avec le télescope WIYN de 3,5 mètres ont été trouvées. La spectroscopie Hα a révélé que chaque source optique avait une vitesse radiale presque identique à celle de la source radio correspondante, confirmant qu'il s'agissait des mêmes objets: galaxies naines, à des distances comprises entre 1,7 et 3,5 MPc (Poissons A) et entre 3,5 et 8,9 Mpc (Poissons). B), en les plaçant au bord du groupe local.

Les divergences dans les distances sont dues au fait que le groupe a utilisé deux méthodes différentes pour les déterminer. Si nous supposons que les galaxies sont détachées du groupe local, nous pouvons utiliser la loi de Hubble et les mesures de leur vitesse de récession pour déterminer leur distance. Cependant, l'équipe a également pu discerner quelques jeunes étoiles bleues dans les galaxies; de par leur grandeur apparente, ils ont proposé des valeurs différentes - inférieures.

Une partie de la figure 3, Tollerud et al. 2015. Notez que les Poissons A et B sont substantiellement riches en hydrogène par rapport à la plupart des galaxies naines de même masse, ce qui les rend plus faciles à repérer sur les levés IH.

Géantes rouges: des bougies standard plus fiables

Un an plus tard, l'équipe a utilisé le télescope spatial Hubble pour imager les galaxies (Tollerud et al. 2016). La photométrie à partir des observations a conduit à une troisième façon, encore plus précise, de mesurer les distances jusqu'aux galaxies: utiliser la pointe de la branche géante rouge (TRGB, en abrégé).

Lorsqu'un géant rouge atteint le début du processus triple alpha, sa luminosité augmente considérablement via une fusion soudaine appelée fusion à l'hélium. Bien que le flash lui-même soit bref, la période d'évolution qui s'ensuit dure plus longtemps et l'étoile devient de plus en plus brillante, pour finalement atteindre un point appelé la pointe de la branche géante rouge. Il s'avère que ces étoiles ont toutes fondamentalement la même luminosité, quels que soient leur masse, leur métallicité ou leur composition. Cela en fait d'excellentes bougies standard, tout comme les variables Céphéides.

Les figures 1 et 2, Tollerud et al. 2016. Images Hubble des Poissons A et B. Tandis que les images WIYN étaient suffisamment bonnes pour discerner quelques sources ponctuelles, Hubble était en mesure de fournir des images d'une résolution nettement supérieure.

La photométrie de Hubble était suffisamment bonne pour que la méthode TRGB puisse être utilisée et fournissait des distances compatibles avec l’idée que les nains Poissons se situaient en dehors du groupe local: 5,6 et 9,2 Mpc, respectivement. Avec des mesures de distance précises en main, le groupe a été en mesure de déterminer davantage de propriétés du couple, y compris les luminosités et les masses stellaires totales (environ 10 millions de masses solaires pour chacune).

Qu'est-ce que tout cela signifie

Ce qui est excitant, c’est que l’équipe était maintenant capable de placer ces galaxies sur une carte. Il s'est avéré qu'ils se trouvent tous deux au bord du vide local. Malheureusement, nous n’avons pas de données cinématiques en bloc détaillées dans la bonne direction. Nous ne pouvons donc pas savoir avec certitude que les Poissons A et B se retirent du vide. Cependant, nous avons quelques indices.

La figure 12, Tollerud et al. 2016. Une carte des galaxies voisines à environ 10 Mpc de la Terre. Le groupe local est assis au centre, petit et apparemment compact.

Premièrement, le couple a connu une vague de formation d'étoiles il n'y a pas longtemps. Il est tout à fait plausible que cela ait été provoqué par une collision soudaine avec les filaments de gaz qui forment les limites du Local Void. De plus, les distributions HI correspondent à celles que nous pourrions espérer voir dans des galaxies vides. Enfin, ces deux galaxies - en particulier les Poissons A - sont plus petites que la plupart des galaxies formant des étoiles du groupe Local, ce qui signifie qu’elles sont beaucoup plus compactes. Cela pourrait indiquer que ce n'est que maintenant qu'ils entrent dans les mêmes voies d'évolution que leurs homologues du groupe local ont parcouru il y a longtemps.

La figure 13, Tollerud et al. 2016. Notez que les Poissons A et B sont beaucoup plus petits que la plupart des galaxies à formation d'étoiles, mais beaucoup plus lumineux que la plupart des galaxies passives (ne formant pas d'étoiles).

C’est cette dernière notion qui rend les Poissons A et B particulièrement excitants. S'il s'agit bien de galaxies vides, elles doivent avoir passé la plus grande partie de leur vie dans l'environnement relativement vierge du Local Void. Cela signifie qu'elles pourraient ressembler et agir beaucoup comme les galaxies naines normales, il y a des milliards et des milliards d'années. À moins de 10 Mpc, des indices sur les premières vies de beaucoup de nos voisins les plus proches pourraient donc se trouver. C’est une pensée passionnante.