The Milky Way and Messier 31 (Figure 1a) are the two brightest galaxies of the Local Group and constitute the majority of its mass. One of the recurring questions is : which of these two galaxies is the most massive ? Constraints on the mass of a spiral galaxy can be obtained by measuring the kinematics (the rotation curve) of the stars or the interstellar gas of the disc. The rotation curve represents the variation of the circular rotation velocity of a kinematical tracer as a function of the distance from the center of the galaxy. The kinematical tracer the most easily observable is the gas observed thanks to the emission lines of the ionized hydrogen in the visible light at 656.3 nm and of the neutral hydrogen (referred to as H I) in radio waves at 21 cm. At the beginning of the 1990’s, observations of the H I gas of M 31 showed a decreasing rotation curve as a function of galactocentric radius. This result made M 31 a unique galaxy in the Universe because spiral galaxies generally present a rotation curve for which the velocity is constant at large galactocentric distances (Fig. 1b). An international team (Montreal, Paris, Bonn, NRAO), leaded by astronomers from the Université de Montréal and the Observatoire de Paris (Claude Carignan and Laurent Chemin) carried out new measurements of the H I rotation curve of M 31 in order to test this previous result and to provide a better estimate of its mass. The new observations were done with the 100 m radio telescopes at Effelsberg (Germany) and Green Bank (USA). These observations are more sensitive than those obtained previously and make it possible to probe more distant regions in the disc of M 31, up to a radius of 35 kpc (Fig. 1b, full square symbols). Contrary to the previous results, the new H I rotation curve of M 31 does not decrease at large radius but the velocity remains constant with respect to the galactocentric distance, reaching a value of 225 km/s. The kinematical properties of M 31 are thus comparable with those of the majority of the spiral galaxies in the Universe. A model that decomposes the rotation curve of M 31 into luminous and dark components implies the presence of a dark matter halo (Fig. 1b, purple curve) which mass does not dominate that of the luminous matter (Fig. 1b, yellow curves) inside a radius of 35 kpc. The mass of the dark matter halo is indeed approximately half of the visible mass (star and gas discs and bulge).

The total mass of M 31 (luminous + dark) integrated in a radius of 35 kpc is 3.5x1011 solar masses, which would correspond to an extrapolated mass of 5x1011 solar masses inside a radius of 50 kpc. As a comparison, the mass of the Milky Way is 5x1011 solar masses integrated inside a radius of 50 kpc. The two galaxies thus have comparable masses.

This work will continue with a complete mapping of the H I and ionized gas of M 31 by means radio and optical interferometry. These observations will make it possible to model more accurately the mass distribution of the galaxy. Other models describing the mass density distribution for the dark matter halo will be explored.

Reference The Extended H I Rotation Curve and Mass Distribution of M 31 C. Carignan, L. Chemin, W.K. Huchtmeier & F.J. Lockman 2006, The Astrophysical Journal, 641, L109

Contact Laurent Chemin (Université de Montréal et Observatoire de Paris, GEPI)

Dernière modification le 4 mars 2013

La Voie Lactée et Messier 31 (Figure 1a) sont les deux galaxies les plus brillantes du Groupe Local et en constituent la majorité de la masse. Une des questions récurrentes est de savoir laquelle de ces deux galaxies est la plus massive. Des contraintes sur la masse d’une galaxie spirale peuvent être apportées en mesurant la cinématique (la courbe de rotation) des étoiles ou du gaz interstellaire du disque. La courbe de rotation représente la variation de la vitesse de rotation circulaire d’un traceur cinématique en fonction de la distance au centre de la galaxie. Le traceur cinématique le plus facilement observable est le gaz atomique observé grâce aux raies d’émission de l’hydrogène ionisé dans le visible à 656.3 nm et de l’hydrogène neutre (noté H I) en ondes radio à 21 cm. Au début des années 1990, des observations du gaz H I de M 31 montraient une courbe de rotation décroissante en fonction du rayon galactocentrique. Ce résultat faisait de M 31 une galaxie unique dans l’Univers car les galaxies spirales disposent généralement d’une courbe de rotation présentant un plateau de vitesse à grande distance galactocentrique (Fig. 1b). Une équipe internationale (Montréal, Paris, Bonn, NRAO), dirigée par des chercheurs de l’Université de Montréal et de l’Observatoire de Paris (Claude Carignan et Laurent Chemin) a réalisé une nouvelle mesure de la courbe de rotation de M 31 pour tenter de confirmer ce résultat et de fournir une meilleure estimation de sa masse par la cinématique du gaz H I. Les nouvelles observations ont été faites avec les télescopes radio de 100 m d’Effelsberg (Allemagne) et du Green Bank Telescope (USA). Ces observations obtenues avec plus de sensibilité que précédemment permettent de sonder des régions plus distantes dans le disque de M 31, jusqu’à un rayon de 35 kpc (Fig. 1b, symboles carrés pleins). Contrairement aux anciens résultats, la nouvelle courbe de rotation H I de M 31 ne décroît pas à grand rayon et les vitesses de rotation sont constantes en fonction de la distance galactocentrique, atteignant une valeur de 225 km/s. Les propriétés cinématiques de M 31 sont alors comparables à celles de la majorité des galaxies spirales dans l’Univers. Un modèle de décomposition de la courbe de rotation de M 31 en deux composantes lumineuse et sombre implique la présence d’un halo de matière sombre (Fig. 1b,courbe mauve) dont la masse ne domine pas celle de la matière lumineuse de M 31 (Fig. 1b, courbes jaunes) à l’intérieur d’un rayon de 35 kpc. La masse du halo de matière sombre est en effet environ la moitié de la masse visible (disques d’étoiles, de gaz et bulbe).

La masse totale de M 31 (lumineuse + sombre) intégrée dans un rayon de 35 kpc est de 3.5x1011 masses solaires, ce qui correspondrait à une masse extrapolée de 5x1011 masses solaires dans un rayon de 50 kpc. À titre de comparaison, la masse de la Voie Lactée est de 5x1011 masses solaires intégrée dans un rayon de 50 kpc. Les deux galaxies voisines auraient alors des masses comparables.

Ces travaux vont se poursuivre par une cartographie complète du gaz H I et du gaz ionisé de M 31 par interférométrie radio et optique. Ces observations permettront de modéliser plus précisément la distribution de matière dans M 31 avec notamment d’autres modèles décrivant

la distribution de densité de masse du halo de matière sombre. Référence The Extended H I Rotation Curve and Mass Distribution of M 31 C. Carignan, L. Chemin, W.K. Huchtmeier & F.J. Lockman 2006, The Astrophysical Journal, 641, L109

Contact Laurent Chemin (Université de Montréal et Observatoire de Paris, GEPI)

Dernière modification le 22 février 2013