Selon les simulations, la Voie lactée est une sur un million

L’humanité est dans une relation de va-et-vient avec la nature. D’abord, nous pensions que nous étions au centre de tout, avec le Soleil et tout le cosmos tournant autour de notre petite planète. Nous avons fini par réaliser que ce n’était pas vrai. Au fil des siècles, nous avons découvert que bien que la Terre et la vie soient rares, notre Soleil est assez normal, notre système solaire est relativement indescriptible, et même notre galaxie est l’une des milliards de galaxies spirales, un type qui compose 60% des galaxies de l’Univers.

Mais la simulation Illustris TNG montre que la Voie Lactée est spéciale.

Illustris TNG est une série continue de simulations à grande échelle. L’objectif est de comprendre les mécanismes de formation et d’évolution des galaxies. L’effort est une “série de grandes simulations magnétohydrodynamiques cosmologiques”, selon le site Web d’Illustris TNG. Jusqu’à présent, le projet a produit trois séries principales, chacune plus grande et avec une résolution plus élevée que la précédente : TNG 50, TNG 100 et TNG 300. Chaque série se concentre également sur divers aspects de la formation des galaxies. TNG 300 est le plus grand, simulant une région de près de 300 millions de mégaparsecs, plus d’un milliard d’années-lumière de diamètre et contenant des millions de galaxies.

TNG 50, TNG 100 et TNG 300. Image : IllustrisTNG

De nouvelles recherches basées sur Illustris TNG montrent que la Voie Lactée est spéciale. Mais ce n’est pas spécial uniquement pour ses qualités intrinsèques. C’est spécial par rapport à son environnement.

Les résultats sont dans un nouvel article basé sur Illustris TNG 300 publié dans les avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Le titre est “Le système inhabituel de feuillets locaux de la Voie lactée : implications pour la force de rotation et l’alignement.” Le chercheur principal est Miguel Aragón, cosmologiste computationnel et professeur adjoint à l’Observatoire astronomique national de l’Universidad Nacional Autonoma de Mexico.

Illustris TNG simule la structure à grande échelle de l’Univers. Il montre comment les galaxies sont disposées sur des filaments de matière noire qui se frayent un chemin à travers de vastes vides cosmiques. Certaines des caractéristiques qu’il montre sont des murs cosmologiques, également appelés murs de galaxies. Ce sont d’énormes caractéristiques, et l’une d’elles – un mur appelé la Grande Muraille d’Hercule-Corona Borealis – est la plus grande structure connue de l’Univers et mesure 10 milliards d’années-lumière de long.

Cette image de TNG 50 montre la structure à grande échelle du gaz cosmique dans l'Univers primordial au redshift trois.  Il montre une région de l'espace de 15 mégaparsecs de diamètre, où le réseau cosmique de filaments de gaz se rassemble pour alimenter la formation et la croissance galactiques.  Crédit image : Illustris TNG 50.
Cette image de TNG 50 montre la structure à grande échelle du gaz cosmique dans l’Univers primordial au redshift trois. Il montre une région de l’espace de 15 mégaparsecs de diamètre, où le réseau cosmique de filaments de gaz se rassemble pour alimenter la formation et la croissance galactiques. Crédit image : Illustris TNG 50.

Les murs cosmologiques sont constitués de galaxies. Ils sont un sous-type de filaments, mais ils sont aplatis et ont des vides de chaque côté. Les vides semblent écraser les murs dans leur forme aplatie. Le mur cosmologique le plus proche de la Voie Lactée est appelé Mur Local ou Feuille Locale.

La feuille locale influence la façon dont la Voie lactée et les autres galaxies proches tournent sur leurs axes. La Voie lactée met environ 250 000 000 d’années à tourner, et l’étude montre que la rotation est plus organisée que si la galaxie n’était pas proche de la feuille locale.

L’étude montre également que la Voie Lactée est spéciale. Alors que les galaxies typiques ont tendance à être beaucoup plus petites par rapport aux murs, la Voie lactée est étonnamment massive par rapport au mur local. Selon les recherches, il s’agit d’un événement cosmique rare.

Cette vidéo provient d’Illustris TNG 50 et montre la formation d’une galaxie elliptique. Crédit : Illustris TNG

Une caractéristique étudiée par les cosmologistes est dispersion de la vitesse. Il décrit la dispersion de la vitesse d’un groupe d’objets astronomiques. Les vitesses sont dispersées autour d’une vitesse moyenne. La vitesse des objets dans le voisinage Voie lactée/mur local a une faible dispersion, ce qui signifie qu’ils ne sont pas dispersés loin de la moyenne.

Ceci est inhabituel pour une galaxie de masse élevée comme la Voie lactée dans un environnement comme celui-ci, proche du mur local. Pour mieux comprendre cela, les chercheurs ont cherché des galaxies Milky Way Analogue (MWA) dans Illustris TNG 300.

Ils ont constaté que les MWA dans les analogues de Local-Sheet sont rares. Il n’y en avait qu’un par 160-200 Mpc3 de volume dans la simulation. Grâce à leurs recherches, ils ont montré que l’environnement froid autour de la Feuille Locale en est responsable. “Nous constatons qu’un environnement froid semblable à une feuille préserve, amplifie ou simplifie les effets environnementaux sur le moment cinétique des galaxies”, écrivent-ils dans leur article.

Plus précisément, la feuille locale affecte la rotation de la Voie lactée. “… il y a des alignements particulièrement forts entre les spins de feuille et de galaxie”, expliquent-ils, ajoutant que dans la simulation, les galaxies proches des murs ont de faibles paramètres de spin.

Tout cela affecte la croissance et la fusion des galaxies au fil du temps, pensent-ils. Cela conduit à des galaxies de masse inférieure dans ces types de voisinages cosmiques. C’est pourquoi la Voie lactée, avec sa masse élevée, est si inhabituelle et pourquoi la simulation n’en a trouvé qu’une comme celle-ci dans jusqu’à 200 mégaparsecs cubes d’espace.

This figure from the study shows how velocity dispersal relates to mass, with mass shown on the x-axis. The legend in the upper right shows how each line in the graph represents a different velocity dispersal (sigma v.) The blue solid line is the mass function in cold (<25, high velocity dispersal) regions, and the black solid line is the mass function in warm (<40, low velocity dispersal) regions. The dotted lines are the same, but for regions near Cosmic Walls. It shows how lower velocity dispersal produces less massive galaxies near walls. There are also two shaded grey areas: light and dark grey. The light area represents the masses of Milky Way Analogues in the simulation, and the dark grey shows where the Milky Way actually is. Image Credit: Aragon et al. 2023.
Cette figure de l’étude montre comment la dispersion de la vitesse est liée à la masse, la masse étant indiquée sur le axe x. La légende en haut à droite montre comment chaque ligne du graphique représente une dispersion de vitesse différente (sigma v.) La ligne continue bleue est la fonction de masse dans les régions froides (<25, dispersion à vitesse élevée), et la ligne continue noire est la fonction de masse dans les régions chaudes (<40, dispersion à faible vitesse). Les lignes pointillées sont les mêmes, mais pour les régions proches des murs cosmiques. Il montre comment une dispersion à faible vitesse produit des galaxies moins massives près des parois. Il existe également deux zones de gris ombré : gris clair et gris foncé. La zone claire représente les masses d'analogues de la Voie lactée dans la simulation, et le gris foncé montre où se trouve réellement la Voie lactée. Crédit image : Aragón et coll. 2023.

L’étude nous rappelle quelque chose de critique : le contexte est important. Si nous considérons la Voie lactée comme un objet discret et que nous la comparons à d’autres objets discrets similaires, cela ne semble pas exceptionnel. Mais par rapport à son environnement, il l’est. “Nos résultats soulignent l’importance de caractériser soigneusement l’environnement autour de notre galaxie”, indique le document. “L’effet de la géométrie et de la froideur de l’environnement Local Sheet sur les processus de moment cinétique peut nous aider à mieux comprendre les problèmes actuels de formation des galaxies…”

Dans un communiqué de presse présentant la recherche, les auteurs évoquent le Biais copernicien. “Ce préjugé, décrivant la suppression successive de notre statut spécial au cours des près de 500 ans depuis que Copernic a rétrogradé la Terre du centre du cosmos, viendrait de l’hypothèse que nous résidons dans un endroit complètement moyen de l’Univers”, a déclaré la presse. la libération dit. Elle montre le risque inhérent à ignorer l’environnement d’un objet étudié.

Ce travail montre également une faille potentielle dans la façon dont les scientifiques utilisent des simulations comme Illustris TNG. Il est trompeur de penser que n’importe quel point de la simulation est identique à n’importe quel autre point. Les galaxies proches d’un mur cosmique peuvent évoluer très différemment qu’en d’autres points.

“Ainsi, la Voie lactée est, d’une certaine manière, spéciale”, a déclaré le responsable de la recherche, Miguel Aragón. “La Terre est très évidemment spéciale, la seule maison de la vie que nous connaissons. Mais ce n’est pas le centre de l’univers ou même du système solaire. Et le Soleil n’est qu’une étoile ordinaire parmi des milliards dans la Voie lactée. Même notre galaxie semblait n’être qu’une autre galaxie spirale parmi des milliards d’autres dans l’Univers observable.

« La Voie lactée n’a pas de masse ou de type particulier. Il y a beaucoup de galaxies spirales qui lui ressemblent à peu près », a déclaré Joe Silk, un autre des chercheurs. « Mais c’est rare si l’on tient compte de son environnement. Si vous pouviez voir facilement la douzaine de grandes galaxies les plus proches dans le ciel, vous verriez qu’elles reposent presque toutes sur un anneau intégré dans la feuille locale. C’est un peu spécial en soi. Ce que nous avons récemment découvert, c’est que d’autres murs de galaxies dans l’Univers comme la feuille locale semblent très rarement avoir une galaxie à l’intérieur aussi massive que la Voie lactée.

Les galaxies spirales sont courantes.  Cette image montre six galaxies spirales spectaculaires dans les images du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO à l'Observatoire de Paranal au Chili.  Crédit : ESO
Les galaxies spirales sont courantes. Cette image montre six galaxies spirales spectaculaires dans les images du Very Large Telescope (VLT) de l’ESO à l’Observatoire de Paranal au Chili. Crédit : ESO

“Vous devrez peut-être voyager à un demi-milliard d’années-lumière de la Voie lactée, au-delà de très nombreuses galaxies, pour trouver un autre mur cosmologique avec une galaxie comme la nôtre”, a déclaré Aragón. Il ajoute : “C’est quelques centaines de fois plus loin que la grande galaxie la plus proche autour de nous, Andromède.”

Alors, est-ce que ça va si nous nous sentons à nouveau spéciaux ? Nous sommes évidemment spéciaux simplement parce que nous sommes vivants, et la plupart des choses que nous pouvons voir ne le sont pas. Mais cela ne nous dit pas nécessairement combien d’autres matières pourraient être vivantes et si nous sommes spéciaux. D’un point de vue ailleurs dans l’Univers, il pourrait y avoir beaucoup plus de matière vivante. Avant l’essor de l’astronomie moderne, nous n’avions aucune idée s’il y avait de la vie ailleurs ou à quel point la Terre pouvait être spéciale. Nous sommes sages d’être prudents avec le mot spécialselon l’un des auteurs.

« Vous devez être prudent, cependant, en choisissant des propriétés qui se qualifient comme ‘spécial,’», a déclaré le Dr Mark Neyrinck, un autre membre de l’équipe. “Si nous ajoutions une condition ridiculement restrictive sur une galaxie, telle qu’elle doit contenir l’article que nous avons écrit à ce sujet, nous serions certainement la seule galaxie de l’Univers observable comme celle-là. Mais nous pensons que cette propriété «trop grande pour son mur» est physiquement significative et suffisamment pertinente sur le plan de l’observation pour être considérée comme vraiment spéciale.

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