Une équipe internationale d'astronomes [2] a réussi à mesurer avec une grande précision les vitesses d'un grand nombre de nébuleuses planétaires [3] dans l'espace intergalactique au sein du groupe de galaxies Vierge. Pour cela, ils ont utilisé le spectrographe FLAMES très efficace [4] sur le très grand télescope ESO de l'Observatoire de Paranal (Chili).
Ces étoiles nébuleuses planétaires flottant librement dans l'espace par ailleurs vide entre les galaxies de grands amas peuvent être utilisées comme «sondes» des forces gravitationnelles agissant à l'intérieur de ces amas. Ils tracent les masses, visibles comme invisibles, à l'intérieur de ces régions. Ceci, à son tour, permet aux astronomes d'étudier l'histoire de la formation de ces grandes structures liées dans l'univers.
Les mesures précises de la vitesse de 40 de ces étoiles confirment l'opinion que la Vierge est un amas de galaxies très non uniforme, composé de plusieurs sous-unités qui n'ont pas encore eu le temps de s'équilibrer. Ces nouvelles données montrent clairement que l'amas de galaxies de la Vierge est toujours en cours d'élaboration.
Ils prouvent également pour la première fois que l'une des galaxies brillantes de la région examinée, Messier 87, possède un halo d'étoiles très étendu, atteignant au moins 65 kpc. C'est plus de deux fois la taille de notre propre galaxie, la Voie lactée.
Un jeune cluster
À une distance d'environ 50 millions d'années-lumière, l'amas de la Vierge est l'amas de galaxies le plus proche. Il est situé dans la constellation zodiacale Vierge (La Vierge) et contient plusieurs centaines de galaxies, allant des galaxies elliptiques géantes et massives et des spirales comme notre propre voie lactée, aux galaxies naines, des centaines de fois plus petites que leurs grands frères. L'astronome français Charles Messier a inscrit 16 membres de l'amas de la Vierge dans son célèbre catalogue de nébuleuses. Une image du cœur de la grappe obtenue avec la caméra Wide Field Imager de l'Observatoire ESO La Silla a été publiée l'année dernière sous la photo PR 04a / 03.
On pense que des amas de galaxies se sont formés sur une longue période de temps par l'assemblage d'entités plus petites, grâce à la forte attraction gravitationnelle de la matière sombre et lumineuse. L'amas de la Vierge est considéré comme un amas relativement jeune car les études précédentes ont révélé de petits «sous-amas de galaxies» autour des grandes galaxies Messier 87, Messier 86 et Messier 49. Ces sous-amas doivent encore fusionner pour former un amas de galaxies plus lisse.
Des observations récentes ont montré que l'espace dit «intracluster», la région entre les galaxies dans un amas, est imprégné d'une «population d'étoiles intracluster» clairsemée, qui peut être utilisée pour étudier en détail la structure de l'amas.
Les vagabonds cosmiques
Les premières découvertes d'étoiles intracluster dans l'amas de la Vierge ont été faites par hasard par l'astronome italienne Magda Arnaboldi (Observatoire de Turin, Italie) et ses collègues, en 1996. Afin d'étudier les halos étendus de galaxies dans l'amas de la Vierge, avec l'ESO New Télescope technologique de La Silla, ils ont recherché des objets appelés «nébuleuses planétaires» [3].
Les nébuleuses planétaires (PNe) peuvent être détectées à de grandes distances de leurs fortes lignes d'émission. Ces lignes d'émission étroites permettent également une mesure précise de leurs vitesses radiales. Les nébuleuses planétaires peuvent ainsi servir à étudier les mouvements des étoiles dans les régions de halo des galaxies éloignées.
Dans leur étude, les astronomes ont trouvé plusieurs nébuleuses planétaires apparemment non liées à des galaxies mais se déplaçant dans le champ de gravité de l'ensemble de l'amas. Ces «vagabonds» appartenaient à une population d'étoiles intracluster récemment découverte.
Depuis ces premières observations, plusieurs centaines de ces errants ont été découverts. Ils doivent représenter la pointe de l'iceberg d'une énorme population d'étoiles qui pullulent parmi les galaxies dans ces énormes amas. En effet, comme les nébuleuses planétaires sont le stade final des étoiles communes de faible masse - comme notre Soleil - elles sont représentatives de la population stellaire en général. Et comme les nébuleuses planétaires sont plutôt de courte durée (quelques dizaines de milliers d'années - un éclair sur les échelles de temps astronomiques), les astronomes peuvent estimer qu'une étoile sur environ 8000 millions d'étoiles de type solaire est visible comme une nébuleuse planétaire à un moment donné. Il doit donc y avoir un nombre d'étoiles comparable entre les galaxies comme dans les galaxies elles-mêmes. Mais parce qu'ils sont dilués dans un volume aussi énorme, ils sont à peine détectables.
Parce que ces étoiles sont principalement anciennes, l'explication la plus probable de leur présence dans l'espace intracluster est qu'elles se sont formées au sein de galaxies individuelles, qui ont ensuite été dépouillées de beaucoup de leurs étoiles lors de rencontres rapprochées avec d'autres galaxies au cours des étapes initiales de la formation d'amas. Ces étoiles «perdues» ont ensuite été dispersées dans l'espace intracluster où nous les trouvons maintenant.
Ainsi, les nébuleuses planétaires peuvent fournir une poignée unique sur le nombre, le type d'étoiles et les mouvements dans les régions qui peuvent héberger une quantité substantielle de masse. Leurs mouvements contiennent les archives fossiles de l'histoire de l'interaction des galaxies et de la formation de l'amas de galaxies.
Mesurer la vitesse des étoiles mourantes
L'équipe internationale d'astronomes [2] est ensuite allée plus loin dans l'étude détaillée des mouvements des nébuleuses planétaires dans l'amas de la Vierge afin de déterminer sa structure dynamique et de la comparer avec des simulations numériques. Dans ce but, ils ont mené un programme de recherche stimulant, visant à confirmer les candidats aux nébuleuses planétaires intracluster qu'ils avaient trouvés plus tôt et à mesurer leurs vitesses radiales dans trois régions différentes («champs d'enquête») dans le noyau de l'amas Virgo.
C'est loin d'être une tâche facile. L'émission dans la principale ligne d'émission d'oxygène d'une nébuleuse planétaire en Vierge est comparable à celle d'une ampoule de 60 watts à une distance d'environ 6,6 millions de kilomètres, soit environ 17 fois la distance moyenne à la Lune. De plus, les échantillons de nébuleuses planétaires intracluster sont rares, avec seulement quelques dizaines de nébuleuses planétaires dans un champ de ciel carré d'un quart de degré - environ la taille de la Lune. Les observations spectroscopiques nécessitent donc des télescopes et des spectrographes de 8 mètres avec un large champ de vision. Les astronomes ont donc dû s'appuyer sur le spectrographe FLAMES-GIRAFFE sur le VLT [4], avec sa résolution spectrale relativement élevée, son champ de vision de 25 arcmin et la possibilité de prendre jusqu'à 130 spectres à la fois.
Les astronomes ont étudié un total de 107 étoiles, dont 71 étaient considérées comme de véritables candidats planétaires intracluster. Ils ont observé entre 21 et 49 objets simultanément pendant environ 2 heures par champ. Les trois parties du noyau Virgo étudiées contiennent plusieurs galaxies brillantes (Messier 84, 86, 87 et NGC 4388) et un grand nombre de galaxies plus petites. Ils ont été choisis pour représenter différentes entités du cluster.
Les mesures spectroscopiques pourraient confirmer la nature intracluster de 40 des nébuleuses planétaires étudiées. Ils ont également fourni une richesse de connaissances sur la structure de cette partie du cluster Vierge.
Dans la fabrication
Dans le premier champ près de Messier 87 (M87), les astronomes ont mesuré une vitesse moyenne proche de 1250 km / s et une dispersion assez faible autour de cette valeur. La plupart des étoiles de ce champ sont donc physiquement liées à la galaxie brillante M87, de la même manière que la Terre est liée au Soleil. Magda Arnaboldi explique: «Cette étude a conduit à la découverte remarquable que Messier 87 a un halo stellaire en équilibre dynamique approximatif jusqu'à au moins 65 kpc, soit plus de 200 000 années-lumière. C'est plus de deux fois la taille de notre propre galaxie, la Voie lactée, et cela n'était pas connu auparavant. »
La dispersion de vitesse observée dans le second champ, loin des galaxies brillantes, est plus importante que dans le premier d'un facteur quatre. Cette très grande dispersion, indiquant des étoiles se déplaçant dans des directions très disparates à différentes vitesses, nous indique également que ce champ contient très probablement de nombreuses étoiles intracluster dont les mouvements sont à peine influencés par les grandes galaxies. Les nouvelles données suggèrent comme une possibilité alléchante que cette population d'étoiles intracluster pourrait être le reste de la perturbation des petites galaxies en orbite autour de M87.
La distribution de vitesse dans le troisième champ, déduite des spectres FLAMES, est à nouveau différente. Les vitesses montrent des sous-structures liées aux grandes galaxies Messier 86, Messier 84 et NGC 4388. Très probablement, la grande majorité de toutes ces nébuleuses planétaires appartiennent à un halo très étendu autour de Messier 84.
Ortwin Gerhard (Université de Bâle, Suisse), membre de l'équipe, est ravi: «Ensemble, ces mesures de vitesse confirment que le Virgo Cluster est un amas de galaxies très non uniforme et non relaxé, composé de plusieurs sous-unités. Avec le spectrographe FLAMES, nous avons ainsi pu observer les mouvements du Virgo Cluster, à un moment où ses sous-unités se rejoignent encore. Et c'est certainement une vue qui vaut le détour! »
Plus d'information
Les résultats présentés dans ce communiqué de presse de l'ESO sont basés sur un document de recherche («The Line-of-Sight Velocity Distributions of Intracluster Planetary Nebulae in the Virgo Cluster Core» de M. Arnaboldi et al.) Qui vient de paraître dans le journal de recherche Astrophysical Journal Letters Vol. 614, p. 33.
Remarques
[1]: Le communiqué de presse de l'Université de Bâle sur ce sujet est disponible sur http://www.zuv.unibas.ch/uni_media/2004/20041022virgo.html.
[2]: Les membres de l'équipe sont Magda Arnaboldi (INAF, Osservatorio di Pino Torinese, Italie), Ortwin Gerhard (Astronomisches Institut, Universit? T Basel, Suisse), Alfonso Aguerri (Instituto de Astrofisica de Canarias, Espagne), Kenneth C. Freeman (Mount Stromlo Observatory, ACT, Australie), Nicola Napolitano (Kapteyn Astronomical Institute, Pays-Bas), Sadanori Okamura (Département d'astronomie, Université de Tokyo, Japon) et Naoki Yasuda (Institute for Cosmic Ray Research, University de Tokyo, Japon).
[3]: Les nébuleuses planétaires sont des étoiles semblables au soleil dans leur phase finale de mort au cours de laquelle elles éjectent leurs couches externes dans l'espace environnant. En même temps, ils dévoilent leur petit noyau stellaire chaud qui apparaît comme une «étoile naine blanche». L'enveloppe éjectée est éclairée et chauffée par le noyau stellaire et émet fortement dans les raies d'émission caractéristiques de plusieurs éléments, notamment de l'oxygène (aux longueurs d'onde 495,9 et 500,7 nm). Leur nom vient du fait que certains de ces objets voisins, comme la «nébuleuse de l'haltère» (voir ESO PR Photo 38a / 98) ressemblent aux disques des planètes géantes du système solaire lorsqu'ils sont vus avec de petits télescopes.
[4]: FLAMES, le spectrographe multi-éléments à large réseau de fibres, est installé sur le télescope unitaire VLT KUEYEN de 8,2 m. Il est capable d'observer simultanément le spectre d'un grand nombre d'objets individuels faibles (ou de petites zones du ciel) et couvre un champ céleste d'au moins 25 minutes d'arc de diamètre, c'est-à-dire presque aussi grand que la pleine lune. Il est le fruit d'une collaboration entre l'ESO, l'Observatoire de Paris-Meudon, l'Observatoire de Genève-Lausanne et l'Observatoire anglo-australien (AAO).
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
