Mise à jour 18 Novembre 2023.
CONFÉRENCE MENSUELLE
DE LA SAF
De François HAMMER
Astronome au GEPI
Observatoire de Paris
« GAIA ET LA MASSE DE LA GALAXIE ET LA NATURE
DES GALAXIES NAINES DE SON HALO »
Organisée par la
SAF
En présence du
public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF
Le Mercredi 8
Novembre 2023 à 19H00
Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution
peuvent m'être
demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir
les crédits des autres photos si nécessaire
La présentation est disponible sur
ma liaison ftp ,
Rentrer le mot de passe, puis aller à CONFÉRENCES SAF ensuite
SAISON 2023/2024 ;
Elle s’appelle :
Hammer-Gaia_SAF_8_Nov_2023.pptx
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent aussi me
contacter avant..
La vidéo de la réunion est accessible à cet URL :
https://youtu.be/NHc_rSQ_x68
Tous les autres enregistrements des conférences mensuelles sont
accessibles sur
la playlist des conférences mensuelles d’Astronomie de notre
chaine
YouTube SAF.
Nous étions 114 dans l’amphi, et 106 sur YouTube.
Voici la présentation de l’auteur :
Gaia DR3: une révolution pour la
masse de la Galaxie et la nature des galaxies naines de son halo
Résumé Les dernières analyses de
Gaia (DR3) montrent que la courbe de rotation de la Voie lactée n'est pas plate,
ce qui conduit à une révision dramatique de sa masse dynamique. Dans le même
temps, Gaia permet de mesurer énergies et moments angulaires orbitaux des
galaxies naines peuplant son halo, démontrant que celles-ci sont de récents
arrivants dans le halo de la Voie lactée, similairement aux Nuages de Magellan.
Je discuterais les conséquences de ces deux découvertes en cosmologie.
François Hammer est un astrophysicien du GEPI (Galaxies, Etoiles,
Physique et Instrumentation) dont il a été le fondateur, le GEPI dépend de
l’Observatoire de Paris.
Il a aussi été astronome détaché au CFHT (Télescope Canada France
Hawaï).
De plus il a œuvré sur le VLT à différents niveaux, bref un
astronome complet.
Son principal centre d’intérêt sont les galaxies en général et en
particulier notre Voie Lactée, dont il a pu grâce à la mission Gaia étendre ses
recherches.
Notons qu’il vient de publier l’ouvrage suivant :
Voyage de la Terre aux confins de l’Univers chez Odile Jacob.
En introduction François nous indique qu’il va nous présenter des
résultats qui sont tout juste « sortis de presse » comme on dit, certains même
en cours de publication. Quelle chance pour nous !
Carte du ciel tracée à partir des positions, éclats et couleurs
des 1,8 milliard d’étoiles de Gaia EDR3, observées par Gaia entre juillet 2014
et mai 2017. On y distingue clairement le plan de notre Galaxie, la Voie lactée,
très riche en étoiles, mais aussi en poussières qui obscurcissent la lumière
provenant d’étoiles en arrière-plan. Si on zoome sur n’importe quelle partie de
la carte, on voit la multitude de points qui la compose, même dans les zones
très peu denses en étoiles (voir l’outil de visualisation disponible sur le site
de l’ESA). On y voit aussi, dans la partie droite en bas, les deux taches
laiteuses que forment l’ensemble des étoiles observées par Gaia dans les Grand
et Petit Nuages de Magellan. ©ESA/Gaia/DPAC.
On remarque le bulbe central masqué par les poussières dues aux
différentes explosions d’étoiles. On pourra voir au travers grâce à l’Infra
Rouge.
1-CONTEXTE :
COURBE DE ROTATION DE LA GALAXIE ET MESURES DE GAIA
Une vue schématisée de notre Galaxie.
Au centre, le bulbe, une barre où les étoiles se meuvent sur des
orbites aléatoires.
Dans le disque les étoiles tournent sur une orbite prédéfinie.
Notre Soleil est un bon exemple, il tourne autour du centre en
220 millions d’années, il a donc effectué
22 orbites depuis
sa naissance. Il est situé à 25.000 al du centre (10 kPc) dans le bras d’Orion.
Notre Galaxie a beaucoup de bras et tourne dans le sens des
aiguilles d’une montre (CW).
Crédit : ESO/NASA/JPL/T Lombry
On s’intéresse à la vitesse des étoiles de notre Galaxie en
fonction de leur rayon au centre.
Gaia mesure notamment
le mouvement propre des
étoiles, c'est-à-dire leur déplacement apparent dans le ciel, et ensuite
leur vitesse radiale, c'est-à-dire leur vitesse le long de la ligne de visée.
Gaia mesura le mouvement propre de plus d’un milliard d’étoiles.
Mais, les étoiles se déplacent les unes par rapport aux autres
dans notre Galaxie.
La vitesse d'une étoile par rapport au Soleil
se décompose en :
·
une vitesse tangentielle (proche de la vitesse
circulaire), vitesse sur la voûte céleste qui comprend le mouvement propre,
·
et une vitesse radiale, vitesse sur la ligne de
visée de l'étoile.
Le mouvement propre est le mouvement apparent des étoiles sur la
sphère céleste vue de la Terre, c’est le mouvement réel de l’étoile.
Grâce à Gaia on a pu finalement accéder à la
vitesse circulaire des
étoiles de notre Galaxie (étude de C Eilers dont on voit la courbe
ci-contre avec les données du deuxième catalogue).
Les points noirs sont les mesures de Gaia.
Les autres points sont les mesures avant Gaia, les barres
d’erreur étaient énormes ! On a gagné un facteur entre 10 et 100.
Cela a été une révélation. Et on remarqua tout de suite qu’elle
décroit légèrement avec le rayon. Plus on s’éloigne du centre et plus les points
deviennent « irréguliers ».
Le Soleil, après ses 22 tours, est en
équilibre parfait
avec le potentiel gravitationnel de la Voie Lactée, on peut alors mesurer la
masse de la voie lactée (loi de Kepler). On trouve alors une masse un peu trop
grande (2 fois) par rapport à la masse que l’on connait.
Le 3ème catalogue de données de Gaia (DR3) a succédé
au deuxième avec des précisions encore meilleures.
·
Nombre d’étoiles avec vitesses radiales : 7 224
631 -> 33 812 183
·
Incertitudes sur les mouvements propres divisées
par ~2
·
Incertitudes sur les parallaxes (distances)
divisées par ~1.3
Les premiers à s’être précipités sur ces résultats sont…les
Chinois !
Et cela a mené à la nouvelle courbe de vitesse circulaire en
fonction du rayon due à deux études chinoises différentes mais utilisant des
méthodes différentes mais donnant des résultats similaires.
Les deux courbes montrent une forte décroissance dans les régions
externes de la Galaxie.
Les étoiles se meuvent donc plus lentement à l’extérieur du
disque !
Mais il faut aussi tenir compte de toutes les influences
extérieures.
C’est
une étude qu’a donc menée notre conférencier avec ses collègues,
principalement Chinois.
Il fallait analyser toutes les incertitudes et les erreurs
systématiques.
Est-ce que le gauchissement du disque de la Voie Lactée joue ?
On a tenu compte de tous ces effets et on est arrivé à la courbe
de rotation définitive suivante.
Les points rouges sont les données corrigées des possibles
erreurs.
Les points gris sont les mesures précédentes.
Le résultat de ces dernières mesures et corrections mène à une
modification de la masse dynamique de la Voie Lactée.
2-RÉVISION À
LA BAISSE DE LA MASSE DE LA GALAXIE.
À
partir de la courbe de rotation on peut en déduire la masse de la Galaxie.
C’est une application directe de la troisième loi de Kepler (voir
prochain chapitre).
On a représenté l’ensemble des constituants et on en a fait la
somme pour arriver au modèle en noir tracé depuis le centre (bulbe) jusqu’à 30
kPc.
Explications : Einasto, c’est
le modèle d’Einasto
qui représente la matière invisible (2/3 de la masse), Baryon, c’est la matière
ordinaire, Bulge : bulbe, disc : Disque, Dust : poussières, Gas, en rouge avec
barres d’erreurs, les résultats de cette étude.
Et après avoir effectué les calculs, on trouve pour la masse
dynamique (veut dire en équilibre) de notre Galaxie :
206
Milliards +24 -13 de masses solaires
C’est en gros 5 fois moins que ce que l’on pensait.
3-DÉTECTION
DE LA DÉCROISSANCE KÉPLÉRIENNE DE LA COURBE DE ROTATION DE LA VOIE LACTÉE
Comment donc déterminer la masse et comment arrive-t-on à cette
décroissance képlérienne, totalement unique et contraire à ce que l’on
imaginait. C’en était presque même choquant pour beaucoup de scientifiques.
On sait que la position des planètes du système solaire (et
autres aussi) obéit à la troisième loi de Kepler (T2/a3 =
cste) bien connue, ce qui implique une répartition des planètes en fonction de
leurs distances au Soleil et leurs vitesses orbitales.
Plus la
distance augmente et plus la vitesse diminue.
De façon générale on aurait pu s’attendre à une loi similaire
pour les étoiles tournant autour du centre de la Galaxie ou des galaxies en
général.
Mais ce n’est pas ce qu’avait remarqué un certain Fritz Zwicky
dans les années 1930, au contraire la vitesse des étoiles éloignées du centre
semblait bizarrement constante, elle ne décroissait pas avec la distance.
Et cela le mit
sur la piste d’une
matière invisible
autour de la galaxie (en fait l’amas de Coma) qui donna naissance à la notion de
matière noire. Zwicky étant, disons, un peu « farfelu » et mal aimé de ses
collègues, personne n’y prêta attention.
Jusqu’à ce que Vera Rubin fît la même découverte quarante ans
plus tard, et là, on la prit au sérieux.
La matière noire venait officiellement d’être découverte.
Eh bien on s’attendrait à une courbe similaire pour la Voie
Lactée, pas de chance, non !
Il se trouve que très curieusement les étoiles suivent une
décroissance képlérienne, à partir de approx 50.000 al, c’est-à-dire au-delà de
la partie visible du disque.
Pourquoi
une telle différence entre nous et les autres galaxies ?
On pense que c’est principalement dû en fait à l’histoire très
« calme » de notre Galaxie, en effet au cours de sa vie, elle aurait rencontré
très peu d’autres galaxies, la dernière rencontre (avec Gaia-Sausage-Enceladeus
ou GSE) remontant à approx 10 milliards d’années.
Cela signifie que notre disque est parfaitement à l’équilibre.
La matière ordinaire représente 1/3 de la masse alors que pour la
plupart des autres galaxies elle est beaucoup plus faible.
Notre Galaxie aurait donc trop de baryons !
Comment observe-t-on une galaxie externe à nous.
Grâce à la spectroscopie.
Mais revenons à Gaia, grace à ce satellite, on connait les
positions et les vitesses 3D des étoiles, soit 6 dimensions.
Par contre pour les galaxies externes on a que deux positions et
une vitesse. Mais ces galaxies ont subi certainement dans le passé des
collisions qui ont affecté leur disque et leur courbe de rotation.
Autre question : a-t-on toute la masse de la Galaxie ?
On sait qu’il existe du gaz ionisé chaud dans le halo jusqu’à un
million d’al.
Il peut être étudié par son effet sur les Nuages de Magellan.
À
cet effet on a étudié le
grand courant magellanique.
Photo : la Voie Lactée dans le visible, le courant Magellan en
rose observé dans la raie H I de 21 cm.
Les deux nuages blancs sont les nuages de Magellan.
Crédit : David L. Nidever et al., NRAO-AUI-NSF-Mellinger
Dans la présentation on pourra voir une animation sur les travaux
de ce courant magellanique.
Grâce à cela on aboutit à la masse de ce gaz ionisé : approx. 150
milliards de masses solaires. Il n’a aucun impact sur la masse de la Galaxie,
car ces 150 milliards de masses solaires sont répartis sur un volume énorme
alors que les 200 de la masse dynamique de la Galaxie sont concentrées dans une
région très centrale.
Mais reste la question principale : pourquoi la masse de la
Galaxie est-elle plus petite que ce que l’on pensait ?
Par quelles méthodes arrivions-nous à un tel résultat ?
·
Par l’étude des objets qui étaient autour,
notamment des amas globulaires (il y en a 156 autour de nous) ; structures
extrêmement denses. On s’est aperçu que pour 154 amas la valeur de 200 milliards
de masses solaires était compatible.
·
Par l’étude de galaxies naines entourant la Voie
Lactée, comme Fornax, nuages de Magellan…En utilisant le Grand nuage de Magellan
(LMC) et la vitesse avec laquelle il se dirige vers nous, on trouvait une masse
de 1000 milliards de masses solaires. Mais la courbe de rotation paraissait
absurde.
Pourquoi cette problématique avec las galaxies naines ?
Par ce que les galaxies naines ne seraient pas en équilibre
dynamique ? Elles ont une trajectoire hyperbolique, alors que les amas
globulaires ont une trajectoire elliptique, donc plus en équilibre, car ayant
fait plusieurs tours.
La
détermination de la masse dépend en fait totalement des objets choisis pour
tester !
4-L’ARRIVÉE
RÉCENTE DES GALAXIES NAINES DANS LE HALO DE LA VOIE LACTÉE
Ce sont les derniers résultats de Gaia, qui vont nous permettre
d’étudier ces galaxies naines et de déterminer leurs orbites.
Surprise, on montre que ces galaxies naines sont arrivées il y a
peu de temps.
On a procédé à une étude qui a décomposé la Galaxie en époque.
En ordonnée l’époque, vers zéro aujourd’hui, plus haut le Big
Bang vers 13,7 Ga.
En abscisse le log de l’énergie orbitale, les plus petites à
droite.
On remarque que les objets autour du bulbe ont les énergies les
plus petites, et au fur et à mesure que l’on avance dans le temps, on arrive à
la dernière collision avec la GSE (a perdu de l’énergie lors des rencontres),
puis à l’accrétion de la petite galaxie du Sagittaire. Mais les galaxies naines,
beaucoup plus récentes, possèdent donc à cause du manque de perte d’énergie lors
de rencontres, des énergies orbitales importantes.
La
majorité des galaxies naines vient d’arriver, donc on ne peut pas les
utiliser pour mesurer la masse de la Galaxie.
Suite à cette étude, l’ESA a publié un article à ce sujet :
Gaia reveals that most Milky Way companion galaxies are newcomers to our corner
of space
Voir aussi
l’article
de F Hammer et ses collègues sur le même sujet dans l’Astrophysical Journal.
5-CONCLUSIONS.
·
La courbe de rotation de la Galaxie est la plus
précise jamais obtenue ;
·
Grâce à Gaia la décroissance Képlérienne de cette
courbe a été détectée, ce qui n’a jamais été observé dans les autres galaxies ;
·
Cela implique une masse de notre Galaxie cinq
fois plus petite qu’obtenue par les anciennes méthodes (amas et galaxies naines)
;
·
Cette divergence est résolue si l’on tient compte
des conditions d’équilibre dynamique.
·
La majorité des galaxies naines viennent
d’arriver dans le halo de la Galaxie. Elles ont en fait perdu leur gaz durant
leur chute récente et sont des structures totalement hors-équilibre et sans
doute…sans matière sombre
Un communiqué de presse nouveau de F Hammer et collègues devrait
sortir pour le 20 Novembre 2023
Le dernier ouvrage de notre conférencier :
François Hammer, astronome à l’Observatoire de Paris, vient de
commettre un nouvel ouvrage général sur l’Astronomie : Voyage de la Terre aux
confins de l’Univers chez Odile Jacob.
Voici la quatrième de couverture :
Montez à bord d’une navette spatiale imaginaire :
l’astrophysicien François Hammer sera votre guide pour explorer le système
solaire jusqu’aux galaxies les plus lointaines.
Sous la forme d’une cartographie dynamique, ce livre nous
emmène visiter planètes et exoplanètes, astéroïdes et comètes, nuages de gaz et
trous noirs… et nous fait remonter le temps jusqu’aux premiers instants de
l’Univers.
À chaque étape du voyage, l’auteur nous ouvre les coulisses de
l’astrophysique du xxie siècle, un monde où technologies de pointe et âpres
débats théoriques doivent s’allier pour faire progresser la connaissance.
L’ouvrage évoque les grandes questions qui animent la
recherche. Quel avenir pour notre planète, notre galaxie et pour l’Univers ?
Quels indices d’une vie hors de la Terre ? La matière sombre existe-t-elle
vraiment ?
« Ah ! que l’astronomie est fascinante. Notre connaissance du
cosmos acquise depuis un siècle est exceptionnelle.
La présentation de François Hammer nous révèle la richesse
des découvertes actuelles d’une manière parfois proche du rêve mais rigoureuse.
» Michel Mayor, prix Nobel de physique
Un livre richement illustré, qui s’adresse à tous ceux qui
veulent découvrir l’Univers et ce qu’en dit la science aujourd’hui.
Livre passionnant de bout en bout.
288 pages EAN : 9782415003999 Prix : 25,90€
POUR ALLER PLUS LOIN :
Comment pèse-t-on une galaxie ?
The Circular Velocity Curve
of the Milky Way from 5 to 25 kpc
GAIA et notre Galaxie : CR conf SAF de P di Matteo du 9 Nov 2022
Gaia : le catalogue galactique nouveau est arrivé
Detection of the Keplerian
decline in the Milky Way rotation curve
Le courant Magellanique expliqué par la structure de gaz du LMC
Gaia EDR3
Proper Motions of Milky Way Dwarfs. II Velocities, Total Energy, and Angular
Momentum de F Hammer et al.
Bon ciel à tous
Prochaine conférence SAF. : le
mercredi 13 Décembre (CNAM amphi Grégoire°) 19 H avec
Thierry Dudok DeWit Astronome
Université d’Orléans & International Space Science Institute (ISSI) sur
« Frôler le Soleil : la mission Parker Solar Probe »
Réservation comme d’habitude à
partir du 9 Novembre 9h00 ou à la SAF directement.
La suivante : le 10 Janvier : Transmission en direct sur le canal YouTube
de la SAF : https://www.youtube.com/channel/UCD6H5ugytjb0FM9CGLUn0Xw/feautured
À NOTER AUSSI :
*** ÉCOLE
CHALONGE, réunion de clôture de 2023 :
le 12 décembre à 16h00 et recevra pour une conférence en vidéo
Le prix Nobel de physique ADAM RIESS
Sur H0 ET L’EXPANSION
DE L’UNIVERS
Une conférence (en anglais) à ne pas manquer
Ceux qui étaient déjà inscrits l’année dernière n’ont pas besoin
de se réinscrire sinon :
https://chalonge-devega.fr/registration_zoom.html
Bon ciel à tous !
Jean Pierre
Martin
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