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Les découvertes de Gaia

Gaia scrutant la Voie Lactée. Document T.Lombry.

État de la recherche en astrophysique

Gaia est un satellite astrométrique de l'ESA du programme Horizon 2000+ qui fut lancé le 19 décembre 2013 pour une mission de 5 ans qui devrait se terminer en 2020. Gaia poursuit la tâche commencée par le satellite Hipparcos (1989) et a pour but de mesurer les paramètres de plus d'un milliard d'objets célestes (astéroïdes, exoplanètes, étoiles, amas ouverts et galaxies) jusqu'à la magnitude 20. L'analyse de ces données va permettre de caractériser et cartographier en détails le système solaire, la Voie Lactée et l'univers proche et d'améliorer nos connaissances concernant la structure et l'évolution de ces systèmes.

Gaia est placé sur le point de Lagrange L2 et est constitué de deux télescopes dont les images sont intégrées et de trois instruments (astrométrie, spectrophotométrie et spectromètre). A terme, Gaia devrait enregistrer quelque 100 TB de données dont le catalogue final est attendu pour 2022. Plusieurs versions intérimaires ont été publiées entre-temps, dont un catalogue partiel en 2016 (DR1) et en 2018 (DR2).

Certaines découvertes concernant notamment la Voie Lactée ont été intégrées dans les articles de ce site. Toutefois, les découvertes se succédant et étant très diverses, les résultats majeurs sont décrits ci-dessous.

Image synthétique de la Voie Lactée

En 2019, l'ESA publia l'image panoramique ci-dessous de la Voie Lactée et des galaxies voisines. Cette image est une carte virtuelle construite numériquement et non pas une véritable photo de la Voie Lactée. Cette image est basée sur les mesures de position et de couleur de près de 1.7 milliard d'étoiles et affichée selon une projection équirectangulaire (une projection de la sphère céleste sur un rectangle qui convient aux projections sur une surface sphérique).

Cette carte indique la couleur (teinte, pureté et luminance) des étoiles observées par le satellite Gaia dans les deux hémisphères célestes entre juillet 2014 et mai 2016. Les régions plus claires indiquent des concentrations plus denses d'étoiles particulièrement brillantes, tandis que les régions plus sombres correspondent à des zones du ciel contenant moins d'étoiles brillantes. La représentation des couleurs fut obtenue en combinant des images optiques (lumière blanche) avec des images prises sous filtre bleu et rouge.

On reconnaît facilement la structure horizontale brillante du plan Galactique, c'est-à-dire le disque aplati (composé du disque mince et du disque épais) qui héberge la plupart des étoiles de notre Galaxie. Au centre de l'image se trouve le bulbe galactique qui concentre le plus d'étoiles et abrite notamment le fameux trou noir supermassif Sgr A*.

Les régions plus sombres qui apparaissent comme des filaments devant le plan galactique correspondent à des nuages de gaz et de poussières interstellaires qui absorbent la lumière des étoiles situées à l'arrière-plan. La plupart de ces nuages cachent des pépinières d'étoiles où se forment les nouvelles générations d'étoiles.

A voir : Vue interactive à 360° de la Voie Lactée, ESA

Image synthétique de la Voie Lactée obtenue à partir des données de Gaia DR2 entre 2014-2016. Document ESA.

De nombreux amas ouverts et globulaires sont identifiables sur l'image en haute résolution (46 mégapixels), ainsi que plusieurs galaxies dont les Nuages de Magellan, M31 et M33.

Cette image fut publiée dans le cadre de la deuxième publication des données de Gaia (DR2) le 25 avril 2018. Ces données comprennent la position et la luminosité de près de 1.7 milliard d'étoiles, ainsi que la parallaxe, le mouvement propre et la couleur de plus de 1.3 milliard d'étoiles. Elles comprennent également la vitesse radiale de plus de 7 millions d'étoiles, la température effective (de surface) de plus de 100 millions d'étoiles et la quantité de poussière sur la ligne de visée de 87 millions d'étoiles. Enfin, ces données comprennent plus de 500000 sources variables et la position de 14099 objets connus du système solaire, pour la plupart des astéroïdes.

Premières mesures directes de la barre centrale de la Voie Lactée

Grâce à la deuxième publication des données de Gaia (DR2) complétée par des observations effectuées par des télescopes terrestres et spatiaux, l'équipe de Friedrich Anders de l'Université de Barcelone (ICCUB) a pu mesurer directement les paramètres et notamment la distribution des étoiles dans la barre nucléaire de la Voie Lactée. Les résultats de cette étude furent publiés dans la revue "Astronomy & Astrophysics" en 2019.

En violet et jaune, la cartographie des étoiles proches et de la barre galactique basée sur la distribution de 150 millions d'étoiles de la Voie Lactée obtenue grâce aux données de GAIA DR2 et d'autres sondages. Document ESA/DPAC/AIP/NASA.

Les chercheurs ont examiné en particulier deux des paramètres enregistrés par Gaia : la température de surface des étoiles et l'extinction qui quantifie indirectement la quantité de poussière existant dans la ligne de visée. Bien que ces deux paramètres sont interconnectés, on peut les estimer indépendamment en ajoutant des informations supplémentaires obtenues par des observations en infrarouge sensibles au rayonnement des nuages de poussière.

L’équipe a combiné toutes ces données grâce à un logiciel dénommé "StarHorse" développé par Anna Queiroz, coauteure de cet article et d'autres collaborateurs. Au final, les astronomes ont obtenu une bien meilleure détermination des distances pour environ 150 millions d'étoiles, l'amélioration atteignant au moins 20%. Cela permit aux chercheurs de suivre la distribution des étoiles de la Voie lactée jusqu'à des distances beaucoup plus grandes qu'en utilisant les seules données originales de Gaia. Selon Cristina Chiappini, coauteure de l'article et travaillant à l'Institut d'Astrophysique de Leibniz à Potsdam, en Allemagne, où le projet a été coordonné, "avec la deuxième publication de données de Gaia, nous pouvions sonder un rayon autour du Soleil d’environ 6500 années-lumière, mais avec notre nouveau catalogue, nous pouvons étendre cette sphère de trois à quatre fois et atteindre le centre de la Voie Lactée."

A voir : Mapping the Milky Way

Gaia makes the first measurement of the bar at the centre of our galaxy

Comme on le voit dans l'animation ci-dessus, l'analyse de ces données en trois dimensions montre clairement au centre de la Voie Lactée la présence d'un grand trait allongé contenant des étoiles : c'est la barre nucléaire ou barre galactique (en jaune). Bien que les astronomes savaient de manière indirecte depuis les années 1970 que la Voie Lactée est une galaxie spirale barrée, c'est la première fois que nous avons des mesures directes géométriques des distances stellaires basées sur les mouvements des étoiles et du gaz.

Mais il reste beaucoup d'inconnues. Selon Chiappini, "nous devons comprendre l'histoire de chacune de ses composantes. On ne sait toujours pas comment la barre - une grande quantité d'étoiles et de gaz tournant de manière rigide autour du centre de la Galaxie - s'est formée, mais avec Gaia et d'autres sondages à venir, nous sommes certainement sur la bonne voie pour le comprendre."

La troisième publication de données Gaia, DR3 planifiée pour 2021, inclura des déterminations de distance encore améliorées pour un nombre beaucoup plus élevé d'étoiles et devrait permettre d'améliorer notre compréhension du bulbe galactique. Avec les différentes publications de Gaia attendues d'ici quelques années, complétées par des sondages réalisés en infrarouge notamment, les astronomes espèrent à terme reconstruire la structure complète de la Voie Lactée.

Flambée de formation stellaire dans le disque il y a 2 ou 3 milliards d'années

Les modèles cosmologiques prédisent que la Voie Lactée aurait grandi et serait devenue plus massive en raison de sa fusion avec d'autres galaxies, un fait qui a été validé par plusieurs études exploitant les données de Gaia (voir plus bas). L'une de ces fusions pourrait être à l'origine de la flambée de formation stellaire qui laissa son empreinte dans les données de Gaia.

Distribution des 3 millions d'étoiles utilisées par l'équipe de J.R.Mor pour détecter la flambée de formation stellaire il y a 2 ou 3 milliards d'années superposée à une illustration de la Voie Lactée.

Grâces aux données de Gaia DR2, l'équipe de Juan R. Mor de l'Université de Barcelone annonça dans un article publié dans la revue "Astronomy and Astrophysics" en 2019 que la moitié des étoiles du disque mince galactique se sont formées il y a 2 ou 3 milliards d'années au cours d'un seul évènement, une flambée de formation stellaire qui résulte probablement de la collision et la fusion avec une galaxie naine satellite. Elle a également obtenu un taux de formation stellaire actuel de ~1 M/an, conforme aux observations précédentes. Ces résultats sont cohérents avec l'extinction cosmologique indiquant que la formation stellaire s'éteint aux décalages Doppler z < 1.8 soit il y a moins de 10 milliards d'années. Cette tendance décroissante fut suivie par une augmentation du taux de formation stellaire qui commença voici ~5 milliards d'années et qui se prolongea jusqu'il y a ~1 milliard d'années.

Selon Francesca Figuerars, coauteure de cet article, "en réalité, contrairement à ce que nous avions prédit avant d'avoir des données de Gaia, le pic de formation d'étoiles est si clair que nous avons jugé nécessaire de traiter son interprétation avec des experts en évolution cosmologique des galaxies externes." Selon l'expert des simulations des galaxies similaires à la Voie Lactée, Santi Roca-Fàbrega de l'Université Complutense de Madrid et également signataire de l'article, "les résultats obtenus correspondent aux prévisions des modèles cosmologiques actuels, et en plus notre Galaxie vue des yeux de Gaia est un excellent laboratoire cosmologique où nous pouvons tester et confronter des modèles à une plus grande échelle dans l'univers."

Pour obtenir ces résulats, les chercheurs ont utilisé les données de magnitudes, couleurs et de parallaxes de 3 millions d'étoiles proches du Soleil dont une cartographie est présentée à droite, complétées par la relation IMF (la fonction de masse initiale qui décrit la distribution des masses des étoiles pour une population stellaire nouvellement formée) et un modèle SFH (Star Formation History) de l'histoire de la formation stellaire non paramétrique (non basé sur des statistiques) pour le disque galactique. Cette analyse a été réalisée en combinant les simulations du Modèle galactique de Besançon (BGM FASt) et un algorithme de calcul probabiliste (bayésien) approximatif. De plus, la modélisation dans le Modèle de Besançon combinée aux données de parallaxes extraites de Gaia a permis aux chercheurs de mieux contraindre les modèles SFH et la relation IMF.

À partir de leur meilleur modèle, les chercheurs estiment qu'environ 50% de la masse utilisée pour générer des étoiles tout au long de la vie du disque mince galactique fut dépensée au cours de ces quatre milliards d'années. L'échelle de temps et la quantité de masse stellaire générée au cours de cette période qui représente des dizaines de milliards de masses solaires, suggère que son origine n'est pas intrinsèque au disque. En fait, une perturbation externe est nécessaire pour expliquer cette flambée d'activité stellaire.

La fusion avec une galaxie riche en gaz satellite de la Voie lactée aurait pu apporter cette matière première et réactiver le processus de formation stellaire, comme de l'oxygène réactive un feu. Ce mécanisme expliquerait la répartition des distances, des âges et des masses estimés à partir des données extraites de Gaia.

A voir : Fusion de galaxies spirales, UCSC/NASA

Les débris de Gaia-Encélade

Après avoir étudié pendant 22 mois sept millions d'étoiles de la Voie Lactée grâce à Gaia, une équipe d'astronomes dirigée par Amina Helmi de l'Université de Gröningen aux Pays-Bas a découvert que 30000 étoiles faisaient partie d'un même groupe qui se déplaçait à travers la Galaxie. En terme de couleur et de luminosité, les étoiles de ce groupe occupent une place particulière dans le diagramme H-R témoignant qu'il s'agit clairement d'une population distincte.

Illustration artistique des débris de la galaxie Gaia-Encélade qui fusionna avec la Voie Lactée il y a 10 milliards d'années et dont on trouve des débris dans toute la Galaxie. Document ESA/A.Helmi et al. (2018).

En analysant ces données surprenantes, Helmi et ses collègues ont tout de suite soupçonné que ces étoiles avaient un rapport avec l'histoire de la formation de la Voie lactée. En effet, par le passé Helmi et son groupe de recherche avaient réalisé des simulations informatiques pour étudier l'évolution des étoiles lors d'une fusion entre deux grandes galaxies. C'est en comparant cette simulation aux données de Gaia que les chercheurs ont constaté que les résultats simulés correspondaient aux observations.

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2018, Helmi déclara que "la collection d'étoiles que nous avons trouvée avec Gaia possède toutes les propriétés qu'on peut attendre des débris d'une fusion galactique". En d'autres termes, ce groupe d'étoiles faisait autrefois partie d'une autre galaxie, la galaxie naine Gaia-Encélade, qui fut absorbée par la Voie lactée. Ces étoiles forment à présent l'essentiel du halo interne de la Galaxie - une composante diffuse formée à une époque très ancienne et qui entoure à présent l'essentiel de la Voie Lactée.

Selon les simulations de l'équipe d'Helmi, en plus d'alimenter les étoiles du halo, la galaxie naine accrétée aurait également perturbé les étoiles préexistantes de la Voie Lactée et contribuèrent à la formation du disque épais (voir plus bas). Sachant que les étoiles qui se forment dans les différentes galaxies ont des compositions chimiques uniques qui correspondent aux conditions de la galaxie d'origine, si ce groupe d'étoiles représente bien les débris d'une galaxie qui a fusionné avec la nôtre, les étoiles restantes devraient conserver une empreinte dans leur composition. Mais avant de conclure, les astronomes devaient compléter les données de Gaia avec celles sur la composition chimique des étoiles fournies par le sondage Apogée. C'est effectivement ce qui fut observé.

Les astronomes ont appelé cette galaxie Gaia-Encélade par référence au nom de l'un des géants de la mythologie grecque qui donna naissance à Gaia (Gaïa en français), la Terre et à Uranus, le Ciel. Helmi nous rappelle que "selon la légende, Encélade aurait été enseveli sous l'Etna, en Sicile, et serait responsable des tremblements de terre locaux. De même, les étoiles de Gaia-Encélade ont été profondément enfouies dans les données de Gaia et elles ont ébranlé le disque épais de la Voie lactée".

Même si aucune preuve supplémentaire n'était vraiment nécessaire, les chercheurs ont également trouvé des centaines d'étoiles variables et 13 amas globulaires dans la Voie Lactée qui suivent des trajectoires similaires à celles des étoiles de Gaia-Encélade, indiquant qu'ils faisaient partie de ce système. Le fait que tant de groupes puissent être liés à Gaia-Encélade est une autre indication du fait que cette galaxie dût être autrefois une grande galaxie, avec sa propre population d'amas globulaires.

A voir : Merger in the early formation stages of our Galaxy, ESA

Localisation et parallaxe (une mesure de leur distance) des étoiles du groupe Gaia-Encélade découvert dans la Voie Lactée. Les valeurs pourpres indiquent les étoiles proches et les jaunes les plus éloignées. Les cercles blancs indiquent l'emplacement des amas globulaires qui suivent la même trajectoire que les étoiles de Gaia-Encélade. Les étoiles variables associées au groupe Gaia-Encélade sont indiquées par les symboles bleus. Document ESA/Gaia/A.Helmi et al. (2018).

Une analyse plus poussée révéla que cette galaxie avait à peu près la taille de l'un des Nuages de Magellan. Cependant, il y a dix milliards d'années, lorsqu'eut lieu la fusion avec Gaia-Encélade, la Voie Lactée était beaucoup plus petite, le rapport entre les deux étant de 4:1. C'était donc clairement une collision majeure pour la Voie Lactée.

Grâce à Gaia, les astronomes ont également découverts l'empreinte d'autres collisions.

Une collision au début de la formation de la Voie Lactée

Grâce aux données publiées dans la 2e publication de Gaia (DR2) relatives à la position, la luminosité et la distance d'environ un million d'étoiles situées à moins de 6500 années-lumière du Soleil, l'équipe de Carme Gallart de l'IAC en Espagne a pu mettre en évidence certaines des premières étapes de la formation de la Voie Lactée expliquant les caractéristiques du disque et du halo. Les chercheurs ont analysé et comparé les données aux modèles théoriques de la distribution des couleurs et des magnitudes (luminances) des étoiles de la Voie Lactée, en les scindant en deux composantes : le halo stellaire et le disque épais. Les résultats de leur étude furent publiés dans la revue "Nature Astronomy" en 2019.

Des études précédentes avaient montré que le halo galactique présentait des signes évidents de deux composantes stellaires distincts, l’une dominée par des étoiles plus bleues. Le mouvement des étoiles dans la composante bleue a rapidement permis aux chercheurs de l'IAC de l'identifier comme les restes de la galaxie naine Gaia-Encélade évoquée ci-dessus entrée en collision très tôt avec la Voie Lactée. Cependant, la nature de la population rouge et l'époque de la fusion entre Gaia-Encélade et notre Galaxie étaient jusqu'à présent inconnues.

Selon Chris Brook de l'IAC et coauteur de cet article, "l'analyse des données de Gaia nous a permis d'obtenir la distribution des âges des étoiles dans les deux composantes et a montré que celles-ci sont formées par des étoiles également anciennes, plus anciennes que celles du disque épais." Mais si les deux composantse se sont formées en même temps, qu'est-ce qui différencie l'une de l'autre ?

A voir : Early days of the Milky Way

Evolution de la Voie Lactée depuis sa fusion avec la galaxie naine Gaia-Encélade il y a 10 milliards d'années. Consultez la vidéo ci-dessus pour une simulation de la fusion. Document Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) adapté par l'auteur.

Selon son collègue Tomás Ruiz Lara, "la dernière pièce du casse-tête fut donnée par la quantité de métaux dans les étoiles d'une composante ou de l'autre." (pour rappel, les étoiles bleues ont une quantité de métaux inférieure à celle des étoiles plus rouges). Ces résultats, auxquels s’ajoutent les prédictions de simulations également analysées dans l’article, ont permis aux chercheurs de compléter l’histoire de la formation de la Voie Lactée.

Selon les chercheurs, il y a 13 milliards d'années, des étoiles ont commencé à former deux systèmes stellaires différents qui ont ensuite fusionné : une galaxie naine appelée Gaia-Encélade et l'autre, la forme primitive de la Voie Lactée, quatre fois plus massive et plus vaste et contenant plus de métaux. Il y a environ 10 milliards d'années, une violente collision s'est produite entre les deux galaxies. Comme le montre l'animation ci-dessus, certaines étoiles de la Voie Lactée et de Gaia-Encélade furent entraînées dans des mouvements chaotiques et ont finalement formé le halo actuel de la Voie lactée. Ensuite, on observe une flambée de formation d'étoiles pendant ~4 milliards d'années (jusqu'il y a 6 milliards d'années), lorsque le gaz est retombé dans le disque de la Voie Lactée et forma ce qu'on appelle le "disque mince".

Selon Matteo Monelli de l'IAC et coauteur de cet article, "jusqu'à présent, toutes les prédictions et les observations des galaxies spirales lointaines similaires à la Voie Lactée indiquent que cette phase violente de fusion entre des structures plus petites était très fréquente. Grâce aux données de Gaia, nous avons enfin pu identifier la spécificité du processus dans notre propre Galaxie, en révélant les premières étapes de notre histoire cosmique avec des détails sans précédent."

La Saucisse de Gaia : une collision majeure qui changea la Voie Lactée

Dans une étude publiée en 2018 par l'équipe de Vasiuly Belokurov de l'Université de Cambridge (GB) dans les "MNRAS", (en PDF sur arXiv) sur base d'un relevé partiel réalisé par Gaia des paramètres de 7 millions d'étoiles proches du Soleil, les chercheurs ont découvert que la distribution de ces étoiles n'était pas régulière, la plupart présentant des trajectoires très radiales et des vitesses élevées qui les ont conduites très près du centre de la Galaxie. C'est un signe révélateur que la Voie Lactée fut percutée par une galaxie naine placée sur une orbite très excentrique qui scella son destin.

Comme on le voit ci-dessous, la distribution de ces étoiles (en rouge) est le résultat d'une collision survenue il y a 8 à 10 milliards d'années entre la Voie Lactée et une petite galaxie surnommée "Saucisse" (Sausage en anglais) en raison de la distribution caractéristique des étoiles. Celles-ci gravitent à peu près toutes à la même distance du centre de la Galaxie. On observe également des demi-tours impliquant que la densité dans le halo stellaire de la Voie Lactée diminue considérablement à l'endroit où les étoiles inversent leur course. Ce phénomène de "U-Turn" typique d'une relaxation avait déjà été prédit en 2013 par Alis Deason de l'Université de Durnham qui avait suggéré qu'il était associé à un évènement d'accrétion massif très ancien (cf. A.Deason et al., 2013). Sa prédiction s'est avérée correcte.

A gauche, lorsqu'on analyse la distribution des vitesses des étoiles de la Voie Lactée, on constate qu'elles ont conservé l'empreinte de la galaxie "Saucisse" (Sausage), surnom donné en raison de sa forme caractéristique allongée. Cette forme unique résulte des rapides mouvements radiaux des étoiles. Étant donné que le Soleil se trouve au centre de cet énorme nuage d'étoiles, la distribution n'inclut pas les étoiles lentes qui font actuellement demi-tour vers le centre de la Galaxie. A droite, illustration artistique de l'aspect de la Voie Lactée et de la petite galaxie "Saucisse" avec laquelle elle entra en collision il y a  8 à 10 milliards d'années. L'enregistrement de cette rencontre a été préservé dans les vitesses et la chimie des étoiles. Documents V. Belokurov et al. (2018) et ESO/Juan Carlos Muñoz.

Cette collision déforma la structure de la Voie Lactée, tant son bulbe que le halo. La galaxie naine n'a pas survécu à l'interaction et s'est rapidement disloquée, ses constituants étant aujourd'hui éparpillés tout autour de nous sous forme d'étoiles animées de vitesses radiales élevées. Ces étoiles sont ce qui reste de la dernière fusion majeure de la Voie Lactée.

Ceci dit, comme nous l'avons expliqué, la Voie Lactée continue d'entrer en collision avec d'autres galaxies, notamment avec la galaxie naine du Sagittaire, SagDEG. Toutefois, la galaxie de la "Saucisse" était beaucoup plus massive. Sa masse totale (virielle) en gaz, étoiles et matière noire a été estimée à environ 50 milliards de masses solaires, soit 500 fois supérieure à celle de la galaxie naine SagDEG.

Sur base de simulations de cette fusion réalisée par Denis Erkal de l'Université de Surrey et coauteur de l'étude, les chercheurs ont conclu que la masse importante de ce mergeur provoqua beaucoup de "dégâts" et de perturbations. Les étoiles suivant des orbites très allongées, le disque de la Voie Lactée s'est probablement épaissi ou s'est même fracturé suite à l'impact et a dû être reconstruit au fil des interactions gravitationnelles. Les débris de la galaxie naine s'étant éparpillés tout autour des parties internes de la Voie Lactée, ils ont accentué voire même créé le bulbe central galactique et le halo stellaire environnant car cette galaxie était assez massive pour amener avec elle près d'une dizaine d'amas globulaires comme le confirma cette autre étude publiée par l'équipe de G.C.Myeong en 2018.

Collision avec la galaxie naine Antlia 2

Selon une étude publié en 2019 par la physicienne Sukanya Chakrabarti de l'Ecole de Physique et d'Astronomie de l'Institut de Technologie de Rochester (RIT) et ses collègues, des perturbations visibles sur le bord du disque de la Voie Lactée proviendraient d'une collision avec la galaxie naine Antlia 2 qui se serait produite il y a des centaines de millions d'années.

La galaxie naine Antlia 2 fut découverte en 2018 grâce au satellite Gaia. C'est une galaxie de magnitude visuelle 12.1 mais très diffuse située à 432800 années-lumière du coeur de la Voie Lactée et qui ne s'en approche jamais à moins de 130000 années-lumière (à ne pas confondre avec la galaxie naine Antlia située à 4.3 millions d'années-lumière). Antlia 2 est paradoxalement une galaxie naine géante; elle mesure un tiers de la Voie Lactée mais est 10000 fois plus pâle que le Grand Nuage de Magellan (LMC). Selon les modèles astrophysiques, elle semble beaucoup trop grande pour sa luminosité (ou trop pâle pour sa taille) et contiendrait essentiellement de la matière sombre (ou noire).

La localisation actuelle d'Antlia 2 correspond étroitement à celle d’une galaxie naine dominée par de la matière sombre telle que l'avait prédite Chakrabarti en 2009 au moyen d'une analyse dynamique. À l'aide des données de Gaia, Chakrabarti calcula sa trajectoire passée et découvrit qu'Antlia 2 se serait écrasée dans la Voie lactée en produisant les grandes ondulations que nous voyons dans le disque de gaz extérieur de notre Galaxie. Les simulations suivantes illustrent cette collision.

A voir : Watch Galaxies Collide

A gauche, photomontage montrant l'aspect de la galaxie Antlia 2 découverte en 2018 comparée à la Voie Lactée et au LMC. Document V.Belokurov/U.Cambridge, Marcus et Gail Davies, Robert Gendler. Au centre, l'équipe de Sukanya Chakrabarti pense que la collision de la galaxie naine sombre Antlia 2 avec la Voie lactée il y a des centaines de millions d’années est responsable des ondulations caractéristiques visibles dans le disque externe de la Voie Lactée. A droite, cette simulation décrit les interactions entre la Voie Lactée et Antlia 2 depuis 3 milliards d'années jusqu'à nos jours. Les panneaux de gauche montrent la distribution du gaz et les panneaux de droite les étoiles. Les panneaux du haut montrent les galaxies de face tandis que les panneaux du bas montrent les galaxies de profil. Cliquez sur l'image pour lancer l'animation (.GIF de 1.3 MB). Documents S.Chakrabarti et al. (2019).

Selon Chakrabarti, cette découverte ne restera pas sans suite car elle devrait permettre de développer des méthodes pour débusquer les galaxies sombres et aider à résoudre le problème toujours ouvert de la nature de la matière sombre. "Si Antlia 2 est la galaxie naine que vous avez prédite, vous connaissez son orbite. Vous savez qu'elle devait s'approcher du disque galactique. Cela impose donc des contraintes strictes non seulement sur la masse, mais aussi sur son profil de densité. Cela signifie que vous pourrez utiliser Antlia 2 en tant que laboratoire unique pour en savoir plus sur la nature de la matière sombre."

Les chercheurs ont également exploré d’autres causes potentielles des ondulations du disque externe de la Voie lactée, mais ont exclu les autres candidats. Ainsi, la force de marée engendrée par la galaxie naine du Sagittaire était insuffisante tandis que les deux Nuages de Magellan sont trop éloignés. Les preuves indiquent qu'Antlia 2 est la cause la plus probable de cette perturbation.

Cette étude disponible en PDF sur arXiv fut présentée au cours de 234e meeting de l'American Astronomical Society qui s'est tenu à Saint Louis, Mo, le 12 juin 2019.

Une onde dans la Galaxie

Selon une étude publiée en 2018 dans la revue "Nature" (en PDF sur arXiv) et résumée sur le site de l'ESA, il semble qu'en frôlant la Voie Lactée il y a entre 300 et 900 millions d'années, la galaxie naine du Sagittaire généra une onde de densité dans le disque galactique qui pertuba les déplacements de millions d'étoiles.

Grâce au satellite Gaia, après avoir comparé l'altitude de quelques millions d'étoiles par rapport au plan galactique et en estimant leurs vitesses dans les trois dimensions (l'espace des phases) afin de déterminer géométriquement leurs mouvements, Teresa Antoja de l'Université de Barcelone et ses collègues ont découvert que la distribution des étoiles dans l'espace de phase du disque galactique contient d'innombrables sous-structures de formes diverses, dont la plupart n'ont jamais été observées auparavant par manque de données. En résumé, quand on reporte les positions et vitesses des étoiles dans un diagramme de phase comme on le voit ci-dessous à droite, on constate que les étoiles s'alignent en formant une onde en spirale.

A gauche, simulation du motif en spirale imprégné dans la vitesse des étoiles de la Voie Lactée. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (GIF de 7 MB). A droite, distribution des étoiles de la Voie Lactée dans le plan vertical position-vitesse (Z-Vz, par rapport au plan galactique). Documents ESA et T.Antoja et al. (2018).

A la différence des molécules d'eau qui inventent sans cesse des motifs ondulés, les étoiles conservent une sorte de "mémoire" de l'objet qui les a perturbé. Cette empreinte se trouve dans leurs mouvements. Après un certain temps qui se compte en centaines de millions d'années, bien que les ondulations s'amortissent et qoient moins visibles, en caractérisant suffisamment d'étoiles on peut encore détecter cette perturbation dans la répartition des étoiles en analysant leurs vitesses.

Les chercheurs ont réexaminé des travaux antérieurs portant sur ce "mélange de phases" dans le domaine astrophysique mais également en physique quantique. Bien que personne n'ait encore étudié ce phénomène dans le disque de la Voie Lactée, les structures découvertes rappellent clairement ces phénomènes spiralés qui correspondent exactement aux cas d'écoles décrits dans les manuels comme la simulation présentée ci-dessus à gauche.

Sursaut de formation stellaire dans le LMC

Nous avons expliqué que le Grand Nuage de Magellan (LMC) contient plus de 900 objets astronomiques parmi lesquels des centaines de nébuleuses brillantes, des étoiles variables, le résidu d'une supernova (Sanduleak) et même un pulsar qui viennent s'ajouter aux 20 milliards d'étoiles en majorité des géantes chaudes (classes O et B).

Taux de formation stellaire de la Voie Lactée et du LMC basé sur les données de Gaia et du sondage SDSS. Document D.Nidever et al. (2019).

Si le LMC paraît assez calme de nos jours, grâce aux données de Gaia et du sondage SDSS, les astronomes ont découvert que cela n'a pas toujours été le cas.

Pour estimer le taux de formation stellaire de nos deux galaxies satellites (LMC et SMC), les chercheurs ont réalisé des spectres de 3200 géantes rouges des deux Nuages de Magellan. En mesurant la composition chimique de ces étoiles, les astronomes ont pu déduire leur histoire stellaire et déterminer approximativement l'époque à laquelle elles se sont formées. Ensuite, à partir de ces données ils ont pu estimer le taux de production stellaire au cours du temps.

La reconstruction a été possible en raison de la différence de durée de vie des étoiles de chaque classe spectrale et du rôle que jouent les étoiles plus massives quand elles explosent en supernovae dans l'enrichissement des galaxies en éléments lourds. Les nouvelles générations d'étoiles se forment à partir du gaz enrichi et héritent de cette composition chimique. Le processus se répètent au rythme des générations stellaires. Les étoiles de faible masse ont pu survivre plus longtemps et préserver dans leur composition l'histoire de l'enrichissement de leur galaxie. En cartographiant les abondances de ces étoiles (notamment H et Fe), les astronomes sont parvenus à lire les archives des formations stellaires des Nuages du Magellan.

Les résultats de cette étude publiée en 2019 par David L. Nidever de la NOAO et ses collègues montrent que l’histoire de la formation stellaire des deux Nuages de Magellan est très différente de celle de la Voie Lactée. Comme on le voit dans le graphique présenté ci-dessus, dans la Voie Lactée le taux de formation d'étoiles débuta de manière explosive et déclina progressivement. En revanche, dans les Nuages de Magellan, au début les étoiles se sont formées extrêmement lentement, à un taux de seulement 1/50e de celui de la Voie lactée, puis ce taux est monté en flèche au cours des 2 derniers milliards d'années et est encore de nos jours supérieur à celui de la Voie Lactée qui produit à peine une étoile par an.

Selon Nidever, le sursaut spectaculaire du taux de formation stellaire est dû aux interactions gravitationnelles entre les Nuages de Magellan et la Voie Lactée : "les Nuages de Magellan ont commencé leur vie dans une partie relativement isolée de l'univers, où il n'y avait aucune raison de former des étoiles. Mais au cours des derniers milliards d'années, les interactions étroites entre les deux Nuages et avec la Voie Lactée ont provoqué la transformation du gaz en étoiles."

Comme nous le verrons à propos des interactions entre galaxies, au cours des prochains milliards d'années, les Nuages de Magellan fusionneront avec la Voie lactée. À mesure que la fusion progressera, le taux de formation stellaire dans les Nuages de Magellan devrait atteindre un niveau uniforme. Ensuite, dans environ 2.5 milliards d'années, le Grand Nuage de Magellan sera entièrement absorbé par la Voie lactée, processus qui sera marqué par une explosion de formation d'étoiles. Si nos voisins les plus proches ont peut-être démarré lentement, des temps passionnants les attendent !

Enfin, grâce à Gaia, en 2018 les astronomes ont découvert trois nouveaux amas ouverts dans la Voie Lactée. On y reviendra.

Gaia n'a pas fini de nous surprendre.

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