SKA-VLBI promet de révolutionner la cartographie de la Voie lactée grâce aux masers cosmiques
Image à la une: Conception artistique du réseau de stations SKA-Low en Australie-Occidentale, avec un diagramme en superposition montrant des sources masers traçant les bras spiraux à travers la Voie lactée. [Crédit: SKA Observatory / CSIRO]
Une nouvelle étude publiée sur arXiv décrit comment les capacités d’interférométrie à très longue base du Square Kilometre Array, connues sous le nom de SKA-VLBI, transformeront notre compréhension de la structure de la Voie lactée en utilisant les masers cosmiques comme balises de précision. L’article, qui examine l’état actuel de l’astrométrie des masers galactiques et projette l’ère du SKA, soutient que le bond en sensibilité et en couverture du ciel fournira la première carte 3D complète et indépendante des modèles de la Galaxie.
Les masers cosmiques sont l’équivalent radio des lasers. Présents naturellement dans les régions de formation d’étoiles et les étoiles évoluées, ils amplifient l’émission radio à des fréquences spécifiques, produisant des sources extraordinairement brillantes et compactes détectables à travers la Galaxie. Parce que l’émission maser provient de régions de seulement quelques dizaines d’unités astronomiques de diamètre, les masers servent de sources ponctuelles quasi idéales pour les mesures astrométriques. Observés avec des techniques VLBI qui relient les radiotélescopes à travers les continents, ils produisent des mesures de parallaxe précises à quelques microarcsecondes.
Les programmes actuels d’astrométrie des masers, notamment le projet japonais VERA et le Bar and Spiral Structure Legacy Survey (BeSSeL), ont mesuré environ 200 masers à travers la Galaxie. Ces observations ont fourni la première preuve directe que la Voie lactée est une spirale à quatre bras, mesuré la distance au centre galactique à 8,2 kiloparsecs et révélé la signature cinématique de la barre galactique. Mais l’échantillon existant est fortement biaisé vers l’hémisphère Nord. Un seul maser a été mesuré au-delà du centre galactique, laissant tout le quatrième quadrant effectivement non cartographié.
Une multiplication par dix de la taille de l’échantillon
SKA-VLBI changera cela radicalement. Grâce à sa sensibilité, le SKA pourra détecter des masers plus de 10 fois plus faibles que les réseaux actuels, augmentant l’échantillon observable d’environ 200 sources à plus de 2 000. L’emplacement du SKA dans l’hémisphère Sud, à l’observatoire de radioastronomie Murchison en Australie-Occidentale, donne accès au centre galactique et au quatrième quadrant galactique, qui sont difficilement visibles depuis les réseaux nordiques.
Le bond en précision astrométrique est tout aussi significatif. Les réseaux VLBI actuels atteignent environ 10 à 20 microarcsecondes de précision de parallaxe pour les masers les plus brillants. SKA-VLBI, combinant la surface collectrice du SKA avec l’infrastructure VLBI existante, poussera cette précision à 1 à 3 microarcsecondes. À une distance de 10 kiloparsecs, cela correspond à une incertitude de distance d’environ 5 %, contre 20 à 50 % avec les réseaux actuels.
Cette précision, soutient l’article, permettra la première reconstruction géométrique véritablement indépendante des modèles de la structure spirale de la Voie lactée. Les cibles principales sont les masers de méthanol à 6,7 et 12,2 GHz, qui sont exclusivement associés aux régions de formation d’étoiles de grande masse. Parce que les étoiles massives ne se forment que dans les bras spiraux, les masers de méthanol servent de traceurs directs de la structure spirale de la Galaxie. Les masers d’eau à 22 GHz et les masers d’hydroxyle à 1,6 GHz seront accessibles dans les phases ultérieures du SKA.
Questions en suspens
Les cartes existantes de la Voie lactée souffrent d’ambiguïtés fondamentales. On débat encore pour savoir si la Galaxie a deux bras spiraux dominants ou quatre, une incertitude qui se propage dans les modèles de formation d’étoiles, de dynamique galactique et même de distribution de la matière noire. La géométrie de la barre galactique, la nature du mystérieux bras de 3 kiloparsecs et la longueur d’échelle du disque stellaire restent tous contestés.
L’article projette qu’un échantillon d’environ 200 masers de méthanol serait suffisant pour tracer les bras spiraux jusqu’à 17 kiloparsecs avec une précision de largeur de bras d’environ 0,3 kiloparsec. Pour la barre galactique, où seuls 15 masers ont actuellement des mesures fiables, SKA-VLBI pourrait augmenter l’échantillon à plus de 200 sources, permettant de déterminer la morphologie tridimensionnelle et la vitesse de rotation de la barre avec une précision bien meilleure.
Les paramètres actuels les mieux ajustés de la barre, un demi-grand axe de 4,0 kiloparsecs et un angle d’orientation de 36 degrés, comportent des incertitudes substantielles. Les données de SKA-VLBI les préciseraient tout en testant simultanément si la barre a une composante verticale prononcée, une question ayant des implications sur la façon dont la barre canalise le gaz vers le centre galactique.
Gains d’efficacité
Au-delà de la sensibilité et de la couverture du ciel, SKA-VLBI offre une amélioration spectaculaire de l’efficacité d’observation. Les programmes actuels d’astrométrie des masers nécessitent des milliers d’heures de temps de télescope réparties sur plusieurs années pour accumuler le signal astrométrique. SKA-VLBI atteindra une précision équivalente en environ 300 heures par source, et sa capacité à observer plusieurs masers simultanément dans le même faisceau primaire signifie que de grands échantillons peuvent être constitués beaucoup plus rapidement.
L’article estime qu’une étude approfondie de 2 000 masers à travers toute la Galaxie pourrait être achevée en quelques années d’opérations du SKA, fournissant un ensemble de données héritage qui servirait de cadre de référence pour l’astronomie galactique pendant des décennies.
La prépublication est disponible sur arXiv sous la référence 2606.27692.
Traduit par Lydie