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Courants stellaires dans le halo galactique : le cas de Palomar 5

Une équipe internationale d’astronomes, incluant deux chercheurs du GEPI, a étudié à l’aide de simulations N-corps sur GPU les caractéristiques et l’origine des queues de marée de l’amas globulaire Palomar 5, formées dans le potentiel galactique le long de son orbite. Ce travail reproduit pour la première fois les inhomogénéités observées le long de ces queues de marée et de mettre en évidence le mécanisme à l’origine de leur formation.

A une distance de 23.2 kpc du Soleil et 16.6 kpc au-dessus du plan galactique, Palomar 5 est un amas globulaire du halo d’une masse très faible, un rayon de coeur important, et une faible concentration centrale. Dans la dernière décennie, plusieurs études observationnelles ont montré la présence de deux queues de marée importantes de part et d’autre de l’amas, constituées d’étoiles échappées du système en raison de l’effet de marée du potentiel galactique. Avec une extension globale détectée de 22 degrés sur le ciel, correspondant à une longueur projetée de plus de 10kpc, les queues de marée de Pal5 sont si étendues et massives qu’elles contiendraient plus de masse que l’amas lui-même.

Les queues de marée de Pal 5 sont inhomogènes, montrant des « sous-densités » et des accumulations d’étoiles, particulièrement visibles sur la queue qui suit l’amas, avec les surdensités les plus évidentes à 100 et 120 arcminutes du centre de l’amas. La nature de ces structures a été longuement discutée, plusieurs études suggérant qu’elles résulteraient des l’effets gravitationnels induits par la présence de sous halos de matière noire dans les parties externes de la Galaxie.

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Fig. 1 : Carte de la densité surfacique d’étoiles dans les queues de Palomar 5 (données SDSS). De Odenkirchen et al. (2003, AJ, 126, 2385)

A l’aide de simulations N-corps, conduites sur la grappe de GPUs « Momentum » de l’Observatoire de Paris et de modèles numériques simplifiés, l’équipe de chercheurs a étudié la formation et les caractéristiques des queues de marée de Pal5 le long de son orbite dans le potentiel de la Voie Lactée. Au contraire des études précédentes, leur travail reproduit avec succès les structures présentes dans les courants stellaires de l’amas, sans introduire de granularité dans le halo de matière noire. Il est montré que des surdensités similaires à celles observées dans Pal5 peuvent être reproduites par le mouvement épicycle des étoiles le long des queues, i.e par une simple accumulation locale des orbites des étoiles échappées de l’amas avec des positions et des vitesses similaires. Les simulations N-corps prédisent en particulier la présence de deux surdensités, la première très proche de l’amas (RA<230°), la seconde commençant à RA=230.5° et finissant à RA=232°, et qui montre une baisse de densité d’extension comparable à celle estimée dans les observations. Ces caractéristiques sont observées dans les queues de marée aux mêmes positions.

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Fig 2 : Queue de marée de Palomar 5 qui suit l’orbite de l’amas autour du centre galactique, selon la simulation à N-corps. Plusieurs inhomogeneités sont evidentes dans le courant stellaire. (Mastrobuono-Battisti, A., et al. 2012, A&A Letters)

Ces modèles peuvent reproduire les variations de densité le long des queues de marée observées sans avoir à introduire de surdensité dans le halo de matière noire, suggérant une limite à sa granularité.

Ce travail a été conduit dans le cadre du projet HPC-EUROPA2, avec l’aide financière de la "European Commission Capacities Area-Research Infrastructures Initiative". M. Montuori remercie l’Observatoire de Paris pour son aide financière sous la forme d’une attribution de poste temporairement vacant en avril 2012.

Reference : « Clumpy streams in a smooth dark halo : the case of Palomar 5 », Mastrobuono-Battisti, A., Di Matteo, P., Montuori, M., Haywood, M. 2012, A&ALetters, 546, L7