Mise à jour du paradigme dynamique des amas globulaires des galaxies

Les propriétés dynamiques des amas globulaires restent toujours relativement inconnues même si elles sont souvent utilisées par les astrophysiciens pour approfondir la compréhension des caractéristiques des galaxies. Le projet NESSY financé par l'UE entend lever le voile sur certains de ces mystères.


Les amas globulaires sont des amas stellaires qui orbitent autour d'un noyau galactique. Ils sont généralement considérés comme des systèmes simples, sphériques, non-rotatifs et thermodynamiquement relaxés. Ce qui signifie que les orbites des étoiles regroupées dans l'amas ne possèdent pas d'orientation privilégiée. Durant des décennies, les amas globulaires étaient reconnus comme des modèles de ce qu'on appelait "une population stellaire unique" où les étoiles étaient nées ensemble et partageaient la même histoire de formation.

Cependant, ce modèle traditionnel des amas globulaires a été récemment contesté par une série de découvertes concernant leurs propriétés chimiques, structurelles et cinématiques. Les populations stellaires multiples sont désormais considérées comme omniprésentes. Le projet NESSY financé par l'UE a contribué à la formulation d'un paradigme dynamique plus réaliste pour ce type de systèmes stellaires. Pour ce faire, il a combiné les modèles analytiques et les simulations numériques, tout en prenant en compte les données astronomiques de nouvelle génération.

Le projet NESSY s'est attaqué à trois problèmes auxquels sont confrontés les astrophysiciens, à savoir: le rôle du moment angulaire interne et des courants externes dans l'évolution dynamique des systèmes stellaires denses, la formation des populations stellaires qui demeurent parmi les plus anciennes de l'univers, et l'existence possible de trous noirs intermédiaires.

La nouvelle génération de données astronomiques

Gaia, la sonde spatiale européenne, mesure actuellement, avec une précision inégalée, les positions et les célérités de milliers d'étoiles dans les amas globulaires que compte notre Voie lactée. Cette nouvelle génération de données, conjuguée avec les mesures réalisées par le télescope spatial Hubble et d'autres installations astronomiques de pointe, permettent aux théoriciens d'étudier, pour la première fois, l'"espace de phases" entier des amas globulaires en observant la position et la célérité de leurs étoiles.

La Dre Anna Lisa Varri, chercheuse au sein du projet NESSY et titulaire d'une bourse individuelle Marie Skłodowska-Curie, explique: "Ces groupes compacts d'étoiles sont vraiment comme un couteau suisse de l'astrophysique, étant donné qu'ils ont été exploités à des fins innombrables durant plusieurs décennies. Pourtant, l'étude des mouvements des étoiles dans les amas globulaires est toujours enfermée dans une marge étroite d'hypothèses de simplification. Et maintenant, des installations astronomiques de calibre mondial fournissent des volumes de données considérables sur le sujet qui ne correspondent pas à la théorie actuelle."

Parmi ses contributions, l'équipe a participé au développement d'une nouvelle compréhension du rôle de la complexité cinématique, qui se présente sous la forme de la rotation interne et l'anisotropie des vitesses (différentes caractéristiques, dans différentes directions), dans l'évolution dynamique à long-terme des systèmes collisionnels tels que les amas globulaires. Le projet NESSY a également contribué au développement d'un modèle dynamique de l'amas 47 Tucanae, qui décrit sa riche structure dans l'espace de vélocité. Il révèle un degré de rotation interne inattendu.

Le rôle du moment angulaire est l'un des aspects qui peut expliquer les dynamiques internes des systèmes collisionnels, tels que les amas globulaires. Comme le souligne la Dre Varri, malgré le manque de recherches sur ces phénomènes, "un nombre croissant de jeunes et d'anciens amas stellaires est actuellement observé pour obtenir des preuves de rotation. En effet, il est possible que la présence de quelques moments angulaires puissent vraiment accélérer l'évolution dynamique de tels systèmes."

Propulser la recherche en astrophysique dans une nouvelle ère

Les travaux réalisés dans le cadre du projet NESSY progresseront grâce à la collaboration avec l'école de mathématiques de l'Université d'Édimbourg afin d'étudier plus avant le rôle de la complexité cinématique en examinant l'équilibre, la stabilité et les caractéristiques évolutives des systèmes stellaires rotatifs denses. Il est à espérer que ces recherches approfondiront notre compréhension des amas globulaires et des noyaux galactiques. Comme l'explique la Dre Varri, "sur la base de ces recherches, je continuerai d'étudier les effets de la complexité cinématique sur deux énigmes non-résolues dans mon domaine, à savoir la dimension dynamique du phénomène des populations multiples et la formation de trous noirs intermédiaires et stellaires".

En fait, la présence d'une rotation interne peut avoir un effet considérable sur la taille de l'espace des paramètres dans lequel les processus collisionnels conduisant à la formation de trous noirs dans les amas se produisent, ainsi que sur leurs résultats. Grâce à l'étude sur la complexité cinématique réalisée dans le cadre du projet NESSY, les chercheurs peuvent désormais examiner les incidences de ces degrés supplémentaires de liberté sur la formation et le maintien des trous noirs dans des systèmes stellaires denses. Comme le précise la Dre Varri, "ce sujet est réellement abordé au moment opportun car, grâce à l'interféromètre LIGO, une nouvelle voie de recherche s'est ouverte dans l'astrophysique pour étudier la physique des trous noirs, et notamment les ondes gravitationnelles".