Une partie de la Voie lactée est beaucoup plus ancienne qu’on ne le croyait

La Voie lactée est plus ancienne que ne le pensaient les astronomes, ou une partie de celle-ci. Une étude récemment publiée montre qu’une partie du disque a deux milliards d’années de plus que nous ne le pensions. La région, appelée disque épais, a commencé à se former seulement 0,8 milliard d’années après le Big Bang.

Une paire d’astronomes a reconstitué l’histoire de la Voie lactée plus en détail que jamais. Leurs résultats sont basés sur des données détaillées de la mission Gaia de l’ESA et du télescope spectroscopique à fibre multi-objets à large zone de ciel chinois (LAMOST). La clé de cette découverte réside dans les étoiles sous-géantes.

L’article est “Une image résolue dans le temps de l’histoire de la formation précoce de notre Voie lactée”, et il est en ligne dans la revue Nature. Les auteurs sont Maosheng Xiang et Hans-Walter Rix, tous deux de l’Institut Max-Planck d’astronomie (MPIA).

“Nos résultats fournissent des détails exquis sur cette partie de la Voie lactée, tels que son anniversaire, son taux de formation d’étoiles et son historique d’enrichissement en métal. Rassembler ces découvertes à l’aide des données de Gaia révolutionne notre vision du moment et de la manière dont notre galaxie s’est formée. »

Maosheng Xiang, co-auteur de l’étude, MPIA.

L’une des choses les plus difficiles à déterminer à propos d’une étoile est son âge. La composition ou la métallicité d’une étoile est essentielle pour déterminer son âge. Plus les astronomes peuvent mesurer avec précision la métallicité, plus ils peuvent déterminer son âge avec précision. L’Univers primordial contenait presque exclusivement de l’hydrogène et de l’hélium. Des éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium sont produits dans les étoiles et se répandent dans l’Univers lorsque ces étoiles meurent et explosent. Les astronomes appellent chaque élément plus lourd que les deux éléments primordiaux « métaux ».

Les étoiles à plus faible métallicité sont plus anciennes car elles se sont formées alors que la plupart du temps, seuls l’hydrogène et l’hélium étaient disponibles. Ainsi, lorsque les astronomes identifient une population d’étoiles contenant principalement de l’hydrogène et de l’hélium, ils savent que ces étoiles sont plus anciennes. Lorsqu’ils trouvent une population d’étoiles avec des proportions plus élevées de métaux, ils savent que ces étoiles doivent être plus jeunes.

Les mesures précises de l’âge sont le Saint Graal dans certains aspects de l’astronomie, ce qui est vrai dans ce cas. Xiang et Rix ont utilisé plus que la métallicité pour déterminer les âges stellaires. Ils se sont concentrés sur un type spécifique d’étoiles : les sous-géantes. La phase sous-géante de la vie d’une étoile est relativement brève, de sorte que les astronomes peuvent déterminer l’âge d’une étoile avec plus de précision lorsqu’il s’agit d’une sous-géante. Les sous-géantes sont en train de devenir des géantes rouges et ne produisent plus d’énergie dans leur noyau. Au lieu de cela, la fusion s’est déplacée dans une coquille autour du noyau.

Cette figure de l’étude montre certains des détails des 247 000 étoiles sous-géantes de l’échantillon. (a) montre la sélection des sous-géantes par magnitude et température. (b) montre la distribution de la précision relative de l’âge en fonction de l’âge. Crédit d’image : Xhiang et Rix 2022.

Dans cette étude, la paire de scientifiques a utilisé les données LAMOST pour déterminer la métallicité d’environ 250 000 étoiles dans différentes parties de la Voie lactée. Ils ont également utilisé les données Gaia qui donnent les données précises de position et de luminosité pour environ 1,5 milliard d’étoiles.

La mission Gaia de l’ESA est responsable de la précision accrue de cette étude et de bien d’autres. Avant Gaia, les astronomes travaillaient régulièrement avec des incertitudes sur l’âge stellaire comprises entre 20% et 40%. Cela signifiait que les âges pouvaient être décalés d’un milliard d’années, ce qui est beaucoup. Mais Gaïa a changé tout cela. La version actuelle des données de la mission est Gaia EDR 3 ou Early Data Release 3, et c’est une grande amélioration. EDR3 donne des positions 3D précises de plus de 330 000 étoiles. Il fournit également des mesures de haute précision des mouvements des étoiles dans l’espace.

Les chercheurs ont utilisé toutes ces données de Gaia et LAMOST et les ont comparées à des modèles connus de paramètres stellaires pour déterminer l’âge des sous-géantes avec une plus grande précision. “Avec les données de luminosité de Gaia, nous sommes en mesure de déterminer l’âge d’une étoile sous-géante à quelques pour cent près”, a déclaré Maosheng. Les sous-géantes sont réparties dans les différentes parties de la Voie lactée, permettant aux chercheurs de reconstituer les âges des autres composants et de construire une chronologie de l’histoire de la Voie lactée.

L’étude montre deux phases distinctes dans l’histoire de notre galaxie. La première phase a commencé il y a 0,8 milliard d’années lorsque le disque épais a commencé à former des étoiles. Les régions internes du halo galactique ont également commencé à se développer. Deux milliards d’années plus tard, une fusion a propulsé la formation d’étoiles dans le disque épais jusqu’à son terme. Une galaxie naine nommée Gaia-Sausage-Encelade a fusionné avec la Voie lactée.

Vue d'artiste de notre galaxie, la Voie lactée, une galaxie spirale barrée vieille d'environ 13 milliards d'années qui abrite quelques centaines de milliards d'étoiles.  A droite, une vue de profil révèle la forme aplatie du disque.  Les observations indiquent une sous-structure : un disque mince d'environ 700 années-lumière de haut intégré dans un disque épais, d'environ 3000 années-lumière de haut et peuplé d'étoiles plus anciennes.  La nouvelle étude montre que le disque épais a commencé à former des étoiles seulement 0,8 milliard d'années après le Big Bang, soit environ deux milliards d'années plus tôt que prévu.  Crédit d'image : NASA / JPL-Caltech ;  à droite : ESA ;  mise en page : ESA / ATG medialab
Vue d’artiste de notre galaxie, la Voie lactée, une galaxie spirale barrée vieille d’environ 13 milliards d’années qui abrite quelques centaines de milliards d’étoiles. A droite, une vue de profil révèle la forme aplatie du disque. Les observations indiquent une sous-structure : un disque mince d’environ 700 années-lumière de haut intégré dans un disque épais, d’environ 3000 années-lumière de haut, peuplé d’étoiles plus anciennes. La nouvelle étude montre que le disque épais a commencé à former des étoiles seulement 0,8 milliard d’années après le Big Bang, environ deux milliards d’années plus tôt que prévu. Crédit d’image : NASA / JPL-Caltech ; à droite : ESA ; mise en page : ESA / ATG medialab

La galaxie naine Gaia-Sausage-Encelade (GSE) n’a pas la forme d’une saucisse. Il tire son nom du tracé de ses étoiles sur une carte de vitesse, où leurs orbites sont très allongées. Lorsque GSE a fusionné avec la Voie lactée, il a aidé à créer le disque épais, et le gaz qui l’accompagnait a alimenté la formation d’étoiles dans cette partie de la galaxie. La fusion a également rempli le halo de la Voie lactée d’étoiles. Les astronomes pensent que l’amas globulaire NGC 2808 pourrait être le noyau résiduel de Gaia Sausage. NGC 2808 est l’un des amas globulaires les plus massifs de la Voie Lactée.

La formation d’étoiles déclenchée dans le disque épais par le GSE a duré environ 4 milliards d’années. Environ 6 milliards d’années après le Big Bang, le gaz était épuisé. Au cours de cette période, la métallicité du disque épais a augmenté de plus d’un facteur dix.

L’étude a également trouvé une corrélation très étroite entre la métallicité et l’âge des étoiles dans l’ensemble du disque. Cela signifie que le gaz fourni avec le GSE a dû être turbulent, ce qui l’a amené à se mélanger plus complètement dans le disque.

Les astronomes n’ont découvert que récemment la fusion GSE en 2018. Des découvertes comme celle-ci ont façonné notre compréhension de l’histoire de la Voie lactée, et la chronologie de développement de la galaxie devient plus claire. Cette nouvelle étude nous donne un compte rendu plus détaillé.

L’amas d’étoiles NGC 2808 pourrait être le vestige de la galaxie Gaia-Sausage-Encelade qui a fusionné avec la Voie lactée il y a des milliards d’années. Crédit : NASA, ESA, A. Sarajedini (Université de Floride) et G. Piotto (Université de Padoue)

“Depuis la découverte de l’ancienne fusion avec Gaia-Sausage-Encelade, en 2018, les astronomes ont soupçonné que la Voie lactée était déjà là avant la formation du halo, mais nous n’avions pas une image claire de ce à quoi ressemblait la Voie lactée. Nos résultats fournissent des détails exquis sur cette partie de la Voie lactée, tels que son anniversaire, son taux de formation d’étoiles et son historique d’enrichissement en métal. Rassembler ces découvertes à l’aide des données de Gaia révolutionne notre image du moment et de la manière dont notre galaxie s’est formée », déclare Maosheng.

Ces dernières années, les astronomes ont découvert plus de détails sur la Voie lactée. Mais il est difficile de cartographier sa structure car nous sommes en plein milieu. La mission Gaia de l’ESA est notre meilleur catalogue à ce jour des étoiles de la Voie lactée. Et chaque publication de données s’améliore de plus en plus.

“Avec chaque nouvelle analyse et publication de données, Gaia nous permet de reconstituer l’histoire de notre galaxie avec des détails encore plus inédits. Avec la sortie de Gaia DR3 en juin, les astronomes pourront enrichir l’histoire avec encore plus de détails », déclare Timo Prousti, scientifique du projet Gaia pour l’ESA.

La mission Gaia est essentielle, mais les observations d’autres galaxies comme la Voie lactée donnent également aux astronomes un aperçu de la structure et de l’histoire de la Voie lactée. Mais observer des galaxies seulement deux milliards d’années après le Big Bang est difficile. Cela nécessite de puissants télescopes infrarouges. Heureusement, un télescope spatial infrarouge tant attendu est sur le point de commencer bientôt ses observations.

Le télescope spatial James Webb (JWST) a le pouvoir de remonter dans le temps jusqu’aux premières années de l’Univers. Il pourra voir les premières galaxies semblables à la Voie lactée de l’Univers. Les astronomes veulent en savoir plus sur la fusion GSE et comment elle a conduit à la formation d’étoiles et façonné le disque épais de notre galaxie seulement deux milliards d’années après le Big Bang. Les observations JWST d’anciennes galaxies à décalage vers le rouge similaires à la Voie lactée pourraient aider à répondre à certaines questions et à compléter une histoire galactique plus détaillée.

Le télescope spatial James Webb a été construit pour répondre à certaines de nos plus grandes questions sur l'Univers primitif, y compris la formation des premières galaxies.  Cette question est directement liée à la façon dont la Voie lactée a commencé et s'est développée.  Crédit d'image : ESA
Le télescope spatial James Webb a été construit pour répondre à certaines de nos plus grandes questions sur l’Univers primitif, y compris la formation des premières galaxies. Cette question est directement liée à la façon dont la Voie lactée a commencé et s’est développée. Crédit d’image : ESA

Et en juin, l’ESA publiera la troisième version complète des données de Gaia, appelée DR3. Le catalogue DR3 contiendra les âges, la métallicité et les spectres de plus de 7 millions d’étoiles. DR3 et le JWST seront une combinaison puissante.

Que nous apprendront toutes ces données ?

Au fur et à mesure que l’Univers évolue, les galaxies doivent soit manger, soit être mangées. La gravité rapproche les galaxies, mais l’Univers est également en expansion grâce à l’énergie noire, et l’énergie noire éloigne les galaxies. Ainsi, les galaxies ont tendance à s’agglutiner en groupes. La Voie Lactée fait partie du Groupe Local.

Les groupes restent cohérents en interne en raison de la gravité combinée des galaxies, mais les groupes s’éloignent les uns des autres en raison de l’expansion. Finalement, les plus grandes galaxies d’un groupe consomment les plus petites. La Voie Lactée a consommé le GSE et les amas globulaires. Et il consomme le Grand Nuage de Magellan, qui consomme son voisin encore plus petit, le Petit Nuage de Magellan. Finalement, la Voie lactée consommera les deux, puis dans environ 4,5 milliards d’années, elle fusionnera avec la galaxie d’Andromède encore plus grande, un autre membre du groupe local.

C’est une situation étrange car l’avenir de la Voie lactée pourrait être plus facile à discerner que son passé. C’est l’énigme d’un univers en expansion : les preuves que nous recherchons ne cessent de s’éloigner de nous, perdues dans le temps et la distance. Mais le JWST et le Gaia DR3 ont le potentiel de renverser la situation sur l’univers en expansion. Ensemble, ils peuvent éclairer davantage l’histoire de la Voie lactée et les détails des fusions de galaxies en général. Espérons que nous nous retrouverons avec une chronologie historique beaucoup plus complète.

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