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Les découvertes de Gaia

Gaia scrutant la Voie Lactée. Document T.Lombry.

État de la recherche en astrophysique (I)

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 devait se terminer en 2020 mais sa mission s'est poursuivie tant qu'il fonctionne.

Gaia travaille dans le visible et poursuit la tâche commencée par le satellite Hipparcos (1989). Il a pour mission de mesurer la position et la luminosité de plus de 1.3 milliard d'étoiles ainsi que les paramètres (distance, mouvement propre, parallaxe, magnitude et couleur) de près de 1.7 milliard d'étoiles jusqu'à la magnitude 20, y compris celles rassemblées en amas ouverts, amas globulaires et dans les galaxies proches telles que les deux Nuages de Magellan. Le catalogue de Gaia comprend 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 6.6 millions de candidats QSO, 4.8 millions de candidates galaxies, 10.5 millions de sources variables et la position de 158152 objets connus du système solaire, pour la plupart des astéroïdes.

L'analyse de ces données doit permettre de caractériser et cartographier en détails le système solaire, la Voie Lactée (dont le calcul de sa masse) 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 sur une orbite de Lissajous. Il est constitué de deux télescopes dont les images sont intégrées et de trois instruments. Il est équipé d'un télescope anastigmatique composé de trois miroirs offrant une superficie de 0.7 m2 et de 35 mètres de focale, offrant un champ de 1.7° x 0.6° dans un spectre compris entre 330 et 1050 nm. Il est également équipé d'un photomètre et d'un spectromètre. Le capteur photosensible est composé de 106 CCD de 8.8 Mpixels (4500 pixels x 1966 pixels) répartis entre les trois instruments. La résolution de Gaia atteint 0.02" ou 20 mas. C'est un angle équivalent au diamètre d'une pièce de 1 euro vue à ~100000 km.

Le catalogue Gaia représente quelque 100 TB de données. Avant sa finalisation, plusieurs versions ou releases intérimaires furent publiées dont un catalogue partiel en 2016 (DR1), en 2018 (DR2), en 2020 (EDR3) et en 2022 (DR3). On attend la DR4 en 2025 et la version finale DR5 en 2030 qui ressemblera 1'ensemble des données enregistrées durant 120 mois. Vu qu'elle tiendra compte de différentes époques, sa précision sera au moins deux fois supérieure à la première release.

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

A voir : How Gaia Changed Astronomy Forever, 2018

A consulter : GAIA DR3 - GAIA at CDS Strasbourg

Pontus, un nouveau mergeur

Dans un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2022, sur base des données de la 3e distribution intermédiaire de Gaia (EDR3) et des relevés SDSS, LAMOST et APOGEE parmi d'autres, une équipe européenne d'astronomes a analysé la dynamique des mergeurs de la Voie Lactée pour fixer des contraintes sur les orbites des objets du halo. Il ont caractérisé 170 amas globulaires, 41 courants stellaires et 46 galaxies satellites afin de comprendre de quelle manière se forma la Galaxie.

A cette occasion, ils ont identifié 6 groupes stellaires connus (Sagittarius, Cetus, Gaia‒Sausage/Encelade, LMS-1/Wukong, Arjuna/Sequoia/I'itoi) sur lesquels nous reviendrons (voir page 2) qui représentent environ 25% des 257 objets analysés.

Ils ont également découvert un nouveau mergeur qu'ils ont nommé Pontus (signifiant "la mer" en grec et qui fait référence à l'un des premiers enfants de Gaia, la déesse grecque de la Terre). Il se situe près de l'association Gaia-Sausage/Enceladus. Pontus présente une métallicité [Fe/H] = -1.7 dex. La masse de la galaxie progénitrice a été estimée à Mhalo ~ 5x1010 M et Mstellaire ~1.5x108 M. L'ensemble des mergeurs regroupe 62 objets.

Les chercheurs ont également proposé l'existence d'une septième fusion. L'amas globulaire M53, l'un des plus éloignés de la Voie Lactée situé à ~18 kpc soit 58000 années-lumière du Soleil, est très probablement le progéniteur d'une galaxie naine qui fut perturbée par la Voie Lactée.

A gauche, carte de la Voie Lactée révélant la distribution des 257 objets étudiés par les chercheurs (170 amas globulaires (indiqués par des marqueurs en étoile), 41 courants stellaires (indiqués par des marqueurs ponctuels) et 46 galaxies satellites (indiquées par des marqueurs carrés). Les objets sont colorés en fonction de leurs distances au Soleil (bleu=proche, rouge=éloigné). A droite, les paramètres orbitaux des objets du halo en fonction de leur métallicité [Fe/H]. Le tracé de gauche montre l'espace d'action Jϕ vs. l'énergie E, le tracé de droite montre la distance au périgée vs. la distance à l'apogée. Documents ESA, N.Martin/U.Strasbourg/CNRS adaptés par l'auteur et K.Malhan et al. (2022).

En étudiant les propriétés orbitales et les distributions de métallicité, les chercheurs ont constaté que les trois courants les plus pauvres en métaux de la Voie Lactée, à savoir "C-19" ([Fe/H] = -3.38 dex), "Sylgr" ([Fe/H] = -2.92 dex) et "Phoenix " ([Fe/H] = -2.7 dex), sont associés à LMS-1/Wukong (cf. Z.Yuang et al., 2020), ce dernier étant le courant présentant la plus faible métallicité avec [Fe/H] = -3.4. Cela correspond à une teneur en métaux inférieure à 0.1% de celle du Soleil (ou plus de 2500 fois plus pauvre en éléments lourds que le Soleil). Cela suggère que LMS-1/Wukong a dû se former très tôt dans l'histoire de l'Univers, probablement quelque 3 milliards d'années après le Big Bang.

Selon Yuang et ses collègues, LMS-1/Wukong présente une orbite polaire et occupe une région située entre 10 et 20 kpc (32000-65000 années-lumière) du centre galactique.

Découverte de 12 courants stellaires

Dans le cadre du sondage "Southern Stellar Stream Spectroscopic Survey" (S5) épaulé par l'analyse des données astrométriques de la 3e distribution préliminaire de Gaia (EDR3), en 2022 une équipe internationale d'astronomes identifia 12 nouveaux courants stellaires dans la Voie Lactée (cf. T.Li et al., 2022).

Ces courants stellaires se situent entre ~10 et 50 kpc soit entre ~32600 et 65000 années-lumière du Soleil et sont les vestiges d'anciennes collisions entre la Voie Lactée et de plus petites amas stellaires qui furent disloqués par la force gravitationnelle de la Galaxie, éparpillant leurs gaz et leurs étoiles dans de fins filaments qui gravitent depuis dans le halo de la Galaxie sur des orbites excentriques.

A voir : 12 Stellar Streams Surrounding the Milky Way, 2022

A gauche, les 12 courants stellaires identifiés dans la Voie Lactée dans le cadre du sondage S5. Voici l'image sans légende. A droite, illustration artististique des courants stellaires. Documents Ting Li/Collaboration S5/ESA et T.Lombry adapté de Robert Hurt/ESO/NASA/JPL-Caltech.

Les 12 courants stellaires furent découverts grâce à des modèles informatiques qui ont permis de les isoler parmi les myriades d'étoiles alentour et de déterminer leur origine. Sur la base de la vitesse et de la métallicité des étoiles dans chaque courant, les chercheurs ont pu remonter leur trajectoire dans le temps et dans l'espace et découvrirent leurs progéniteurs. Six de ces courants proviennent de galaxies naines proches contenant jusqu'à plusieurs milliards d'étoiles situées entre la Carène et la Grande Ourse. Les six autres proviennent d'amas globulaires contenant jusqu'à quelques milliers d'étoiles dont quatre ont des métallicités moyennes [Fe/H] < -2, c'est-à-dire plus pauvres en métaux que les amas globulaires typiques de la Voie Lactée à des distances similaires. Fait intéressant, trois courants stellaires issus des amas globulaires ainsi que le courant 300S découvert antérieurement près de la galaxie naine Segue 1 (300S), évoluent sur des orbites rétrogrades (dans le sens inverse de la rotation galactique) comme c'est généralement le cas des astres capturés après la formation du corps principal.

En cartographiant les trajectoires orbitales de ces 12 courants stellaires, les chercheurs ont également découvert qu'ils se déplacent d'une manière que la seule gravité de la Voie Lactée ne peut pas expliquer. En effet, les orbites de ces courants semblent influencés par des amas invisibles de matière sombre dont nous savons qu'elle représente environ les trois quarts de l'Univers visible.

A ce jour, les astronomes ont détecté plus de 60 courants stellaires gravitant autour de la Voie Lactée, mais ils n'en ont jamais cartographié autant en même temps. En étudiant les mouvements de plusieurs courants en même temps, la distribution de la matière sombre dans la Voie lactée devient plus facile à identifier. Indirectement, la découverte des courants stellaires va permettre de mieux cartographier la matière sombre dans la Galaxie.

Le courant stellaire C-19

Une équipe internationale de 26 astronomes a découvert un nouveau courant stellaire appelé C-19. Il fut découvert grâce à l'application de l'algorithme STREAMFINDER aux données astrométriques de la 3e distribution préliminaire de Gaia (EDR3) qui permit également de découvrir des queues de marée associées à plusieurs amas globulaires (cf. R.Ibata et al., 2021).

Le courant stellaire C-19 présente une faible densité et s'étend sur environ 15° à travers le ciel. Il évolue dans le halo de la Voie Lactée sur une orbite excentrique entre ~20000 et 90000 années-lumière du centre galactique. Cette découverte fit l'objet d'un article publié dans la revue "Nature" en 2022 (en PDF sur arXiv).

Localisation du courant stellaire C-19 dans le halo de la Voie Lactée et sa métallicité comparée à celle des amas globulaires et du Soleil. Document ESA/N.Martin et al. (2022).

Les 34 étoiles formant ce courant ont été identifiées dans le cadre du sondage "Pristine", une étude visant à identifier des étoiles de très faible métallicité dans et autour de la Voie Lactée à l'aide du télescope CFT de 3.85 m installé à Hawaï. Des analyses complémentaires furent réalisées au moyen du télescope Gemini North de 8.1 m d'Hawaï et notamment avec l'instrument GRACES qui combine la luminosité du Gemini North et la résolution spectrographique du spectrographe ESPaDOnS du CFHT (R~60k entre 0.4 et 1.0 micron).

Selon les rechercheurs, "En utilisant le télescope Gemini North et l'instrument GRACES, nous avons réalisé que C-19 est le vestige d'un amas globulaire. Les étoiles de ce courant stellaire possèdent une proportion particulièrement faible d'éléments lourds". Les chercheurs estiment que la masse stellaire du progéniteur de C-19 est d'au moins 8000 M et sa luminosité totale de 3500 L.

Jusqu'à présent on pensait que les amas globulaires avaient des métallicités [Fe/H] > -2.7 soit supérieure à environ 0.2% de la métallicité solaire mais C-19 affiche une métallicité record [Fe/H] = -3.38 ±0.06 (stat) ±0.020 (syst) soit 0.05% de la métallicité solaire, c'est-à-dire typique des étoiles extrêmement pauvres en métaux. Cette valeur est inférieure à la plus basse métallicité observée dans un système stellaire de la Voie Lactée ou de ses environs.

Selon Nicolas Martin, astrophysicien à l'Observatoire Astronomique de Strasbourg et auteur principal de cette étude,"On ne savait pas s'il existait des amas globulaires avec si peu d'éléments lourds - certaines théories ont même émis l'hypothèse qu'ils ne pourraient pas du tout se former. D'autres théories suggèrent qu'ils auraient tous disparu depuis longtemps, ce qui en fait une découverte clé pour notre compréhension de la formation des étoiles dans l'Univers primitif".

Cette découverte suggère que l'ancien amas globulaire se serait formé à partir de la première génération d'étoiles, celle de Population III qui offre la particularité d'avoir une métallicité nulle, faisant de C-19 une relique remarquable de l'époque où les tout premiers amas stellaires se sont formés.

A gauche, la trajectoire du courant stellaire C-19 (en pointillés, ancré à la distance de 18 kpc) en coordonnées galactiques. A droite, simulation des orbites du courant stellaire C-19 durant ~1 Ga projetées sur le plan galactique (gauche) et dans le plan R–z (droite). Les lignes rouges épaisses correspondent à la partie des orbites qui chevauchent les étoiles observées du courant C-19. Document N.Martin et al. (2022).

Selon Julio Navarro, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Victoria au Canada et coauteur de cette étude, dans ce contexte, "le courant C-19 ouvre une fenêtre directe et unique sur les premières époques de formation des étoiles dans l'Univers. Alors que les astronomes peuvent regarder les galaxies les plus éloignées pour étudier l'Univers primitif, nous savons maintenant qu'il est possible d'étudier les structures les plus anciennes de notre propre Galaxie en tant que fossiles de ces temps anciens".

Le courant stellaire Nyx

Une équipe d'astrophysiciens du Caltech a découvert à proximité du Soleil, le courant stellaire Nyx témoignant de l'absorption d'une galaxie naine par la Voie Lactée. Cette nouvelle découverte qui tira profit de nouvelles méthodes d'apprentissage automatique (deep learning), pourrait fournir la première indication qu'une galaxie naine fusionna avec le disque de la Voie Lactée.

Selon les chercheurs, le courant stellaire Nyx contenait à l'origine des amas globulaires ou des galaxies naines qui ont été étirées le long de son orbite par les forces de marée avant d'être complètement perturbé. Les résultats de cette étude réalisée par Lina Necib du Caltech et ses collègues furent publiés dans la revue "Nature Astronomy" en 2020.

Depuis 2014, les chercheurs ont développé des simulations très détaillées et hyperréalistes des galaxies dans le cadre du projet FIRE (Feedback In Realistic Environments). Ces simulations incluent toutes les lois que les scientifiques connaissent sur la façon dont les galaxies se forment et évoluent. Partant de l'équivalent virtuel du début des temps, les simulations produisent des galaxies qui ressemblent et agissent comme la Voie Lactée ou d'autres galaxies.

FIRE est capable de simuler l'aspect visuel d'une galaxie mais également dans différentes longueurs d'ondes : en rayons X pour afficher le gaz chaud, dans la raie du CO pour observer le gaz moléculaire, dans l'infrarouge pour observer la poussière, etc. Il peut également simuler la collision ou la fusion de galaxies aussi massives que la Voie Lactée ou celle d'Andromède, des jeunes amas d'étoiles, des amas globulaires ou l'obscurcissement dense de gaz et de poussière qu'on observe dans la Voie Lactée.

Parallèlement à FIRE, le satellite Gaia a fourni aux chercheurs les données sur les mouvements réels d'un milliard d'étoiles. Selon Necib, "Un sous-ensemble de celui-ci comprend 7 millions d'étoiles et leurs vitesses dans les trois axes, ce qui signifie que nous pouvons savoir exactement où se trouve une étoile et son mouvement. Nous sommes passés de très petits ensembles de données à des analyses massives que nous ne pouvions pas faire auparavant pour comprendre la structure de la Voie Lactée".

La découverte de Nyx impliqua la combinaison de ces deux grands projets d'astrophysique et leur analyse à l'aide de méthodes empruntées à l'intelligence artificielle.

A voir : Le déplacement de 2 millions d'étoiles au cours des 5 prochains millions d'années, ESA

Ci-dessus, les position de 2 millions d'étoiles de la Voie Lactée obtenues par Gaia DR1 en 2016 et leur projection dans 5 millions d'années. Voir aussi l'animation ci-dessus. Ci-dessous, simulation de la Voie Lactée par FIRE telle qu'elle était quelques millions d'années après sa formation. Documents ESA/Gaia et Hopkins Research Group, Caltech/L.Necib et al. (2020).

Parmi les questions posées à la fois par les simulations et par le relevé du ciel, les chercheurs voulaient savoir comment la Voie Lactée est devenue ce qu'elle est aujourd'hui ? Les données tracent les fusions de galaxies mais elles sont difficiles à distinguer. En revanche, les simulations des chercheurs les rélèvent très hien, y compris les petites structures. Le problème est que l'oeil humain ne peut pas correctement analyser une image contenant un milliard d'étoiles. Selon Necib, "Avant, les astronomes devaient faire beaucoup de recherches et de tracés, et peut-être utiliser des algorithmes de clustering. Mais ce n'est plus vraiment possible. Nous ne pouvons pas regarder sept millions d'étoiles et comprendre ce qu'elles font. Ce que nous avons fait dans cette série de projets, c'est utiliser les catalogues virtuels de Gaia".

A partir du catalogue virtuel de Gaia développé par Robyn Sanderson de l'Université de Pennsylvanie, les chercheurs se sont demandés ce qu'ils verraient si les simulations FIRE correspondaient à la réalité et étaient observées par Gaia ?

Bryan Ostdiek, aujourd'hui à l'Université d'Harvard et coauteur de cet article, s'est basé sur son expérience pour transposer à l'astrophysique des méthodes d'analyses des Big Data qu'il utilisait lorsqu'il travaillait au LHC du CERN, ouvrant la porte à une nouvelle façon d'explorer l'univers : "les galaxies de FIRE fournissent un environnement merveilleux pour former nos modèles, mais elles ne sont pas la Voie Lactée. Nous avons dû apprendre non seulement ce qui pourrait nous aider à identifier les étoiles intéressantes dans la simulation, mais aussi comment les généraliser à notre vraie Galaxie".

L'équipe a développé une méthode pour suivre les mouvements de chaque étoile dans les galaxies virtuelles et étiqueter les étoiles nées dans la galaxie hôte ou accrétées comme produits de fusions de galaxies. Les deux types d'étoiles ont des signatures différentes, bien que les différences soient souvent subtiles. Ces étiquettes ont été utilisées pour instruire le modèle d'apprentissage automatique, qui fut ensuite testé sur d'autres simulations de FIRE.

Après avoir construit le catalogue virtuel, Ostiek l'a appliqué aux données de Gaia en demandant au réseau neuronal sur base de ce qu'il avait appris, s'il pouvait indiquer si le nombre d'étoiles avait ou non augmenté ? Le modèle a évalué dans quelle mesure il était probable qu'une étoile soit née en dehors de la Voie Lactée sur une plage de 0 à 1. L'équipe a créé un seuil avec une marge d'erreur et analysa les résultats.

Cette approche appelée l'apprentissage par transfert contenait de nombreux défis qu'ont dû résoudre les chercheurs comme celui de s'assurer que le système découvre quelque chose dans les véritables données et non dans les données de la simulation. Les chercheurs ont d'abord vérifié si la simulation pouvait identifier les caractéristiques connues de la Voie Lactée comme la "Saucisse de Gaia" découvertes récemment (voir page suivante). La Saucisse de Gaia était là, tout comme le halo stellaire et les "Courants d'Helmi" (voir page suivante), une autre galaxie naine découverte en 1999 qui fusionna avec la Voie Lactée dans un lointain passé.

C'est alors que le modèle identifia une nouvelle structure : un amas de 250 étoiles tournant avec le disque de la Voie Lactée, mais allant également vers le centre de la Galaxie.

Le courant stellaire Nyx découvert dans les données de Gaia grâce à l'apprentissage automatique. Document L.Necib et al. (2020).

Après quelques hésitations, pensant d'abord qu'il s'agissait d'un bug, Necib mit trois semaines pour s'assurer qu'il ne s'agissait pas d'une erreur ou que l'amas n'avait pas déjà été découvert. Finalement, il se rendit à l'évidence : "ce n'était pas un bug, c'est en fait réel et c'est nouveau. J'ai donc pu le nommer, ce qui est la chose la plus excitante en astrophysique. Je l'ai appelé Nyx, la déesse grecque de la nuit. Cette structure particulière est très intéressante car elle aurait été très difficile à voir sans l'apprentissage automatique".

Le projet a nécessité une informatique très avancée à de nombreuses étapes. Les simulations FIRE et FIRE-2 mises à jour sont parmi les plus grands modèles informatiques de galaxies jamais réalisés. Chacune des neuf simulations principales - trois formations de galaxies distinctes, chacune avec un point de départ légèrement différent pour le Soleil - a requis des mois de calculs sur les superordinateurs les plus puissants du monde. Il s'agit notamment du Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications (NCSA), des installations informatiques Pleiades de la NASA et, plus récemment, de Stampede2 du Texas Advanced Computing Center (TACC). Les chercheurs ont également utilisé les clusters d'ordinateurs de l'Université d'Oregon pour former le modèle d'apprentissage automatique et pour l'appliquer à l'ensemble des données de Gaia.

Pour poursuivre ce travail, en 2020 les chercheurs ont utilisé le système Frontera du TACC, le 8e système le plus rapide du monde qui comprend près de 448500 coeurs de processeurs de 2.7 GHz et atteignant une performance (pic) de 4 PFLOPS (cf. TOP500). Par comparaison, le fameux système Pleiades de la NASA est classé en 39e place.

A l'avenir Necib et ses collègues prévoient d'explorer Nyx à l'aide des plus grands télescopes terrestres dont les Keck de 10 m de diamètre installés à Hawaï qui sont justement gérés par le Caltech et la NASA. Cela fournira des informations sur la composition chimique du courant stellaire et d'autres détails qui les aideront à dater l'arrivée de Nyx dans la Voie Lactée et éventuellement de fournir des indices sur son origine.

Necib est très enthousiasmé par les performances de l'outil qu'il a développé : "Lorsque la mission Gaia a commencé, les astronomes savaient que c'était l'un des plus grands ensembles de données qu'ils allaient obtenir, et avaient beaucoup de raisons d'être excités. Mais nous devions faire évoluer nos techniques pour nous adapter à l'ensemble de données. Si nous ne modifiions ni ne mettions à jour nos méthodes, nous manquerions la physique qui se cache dans notre ensemble de données".

Les succès de l'approche de l'équipe du Caltech pourraient avoir un impact encore plus important. Selon Necib, "Nous développons des outils informatiques qui seront disponibles pour de nombreux domaines de recherche et pour des sujets non liés à la recherche. C'est ainsi que nous repoussons la frontière technologique en général".

La plupart des galaxies naines compagnes de la Voie Lactée sont de nouvelles venues

Selon les données de la 3e distribution intermédiaire de Gaia (EDR3), les galaxies compagnes de la Voie Lactée se révèlent être pour la plupart des nouvelles venues dans notre environnement galactique. Telle est la conclusion d'une étude publiée dans "The Astrophysical Journal" en 2021 (en PDF sur arXiv) par l'équipe de François Hammer de l'Observatoire de Paris.

Les chercheurs ont utilisé les données de Gaia pour calculer les mouvements de 40 galaxies naines gravitant autour de la Voie Lactée à partir de leurs vitesses tridimensionnelles, puis les ont utilisées pour calculer l'énergie orbitale et le moment angulaire (de rotation) de chacune d'elles. Ils ont découvert que ces galaxies se déplacent beaucoup plus rapidement que les étoiles géantes et les amas stellaires orbitant autour de la Voie Lactée. Leur déplacement est si rapide qu'elles ne peuvent pas encore être satellisées autour de la Voie Lactée, où les interactions avec notre Galaxie et son contenu auraient épuisé leur énergie orbitale et leur moment angulaire. Dire que ces galaxies naines sont des satellites de la Voie Lactée est donc un abus de langage. Il y en a mais ce n'est pas la majorité.

Quelques-unes des galaxies naines les plus brillantes compagnes de la Voie Lactée. Document ESA.

Avec sa masse imposante, cela fait des éons que notre Galaxie cannibalise des galaxies naines. Ainsi, il y a 8 à 10 milliards d'années, la galaxie naine Gaia-Encélade fut absorbée par la Voie Lactée (cf. page 2). Ses étoiles peuvent encore être identifiées dans les données de Gaia en raison des orbites excentriques et de la gamme d'énergies qu'elles possèdent.

Plus récemment, il y a 4 à 5 milliards d'années, la galaxie naine du Sagittaire (SagDEG, cf. page 2) fut capturée par la Voie Lactée et est actuellement en train d'être mise en pièces et assimilée. L'énergie de ses étoiles est plus élevée que celles de Gaia-Encélade, indiquant qu'elles ont subi moins longtemps l'influence de la Voie Lactée.

Dans le cas des galaxies naines analysées dans le cadre de la nouvelle étude, leurs énergies sont encore plus élevées. Cela suggère fortement qu'elles sont arrivées "récemment" près de la Voie Lactée, c'est-à-dire au cours des derniers milliards d'années.

Cette découverte complète celle faite dans le Grand Nuage de Magellan (LMC) situé dans l'hémisphère sud. Le LMC était également considéré comme une galaxie satellite de la Voie Lactée jusqu'aux années 2000, lorsque les astronomes ont mesuré sa vitesse et ont découvert qu'il se déplaçait trop vite pour être lié gravitationnellement à la Voie Lactée. Le LMC n'est pas encore satellisé et nous visite pour la première fois. En revanche, il subit l'influence de la Voie Lactée. Il en va de même pour la plupart des galaxies naines proches.

Quant aux nouvelles galaxies naines compagnes de la Voie Lactée, leur avenir est incertain. Selon Hammer certaines d'entre elles seront capturées par la Voie Lactée et deviendront des satellites avant d'être absorbées. Mais dire exactement lesquelles sont concernées est encore difficile à déterminer car cela dépend de la masse exacte de la Voie Lactée. Or de nos jours les estimations varient encore d'un facteur deux.

Si la plupart des galaxies naines proches ne sont pas encore satellisées, elles ressentent déjà l'attraction gravitationnelle de la Voie Lactée à travers les forces de marée. Selon Hammer, "La Voie Lactée est une grande galaxie, donc sa force de marée est tout simplement gigantesque et il est très facile de détruire une galaxie naine après peut-être un ou deux passages".

En d'autres termes, devenir un compagnon de la Voie Lactée revient à une condamnation à mort pour les galaxies naines. La seule chose qui pourrait résister à l'emprise destructrice de notre Galaxie est que la galaxie naine contienne une quantité importante de matière sombre. Sa gravité supplémentaire est capable de maintenir la cohésion interne des galaxies individuelles. Mais à courte distance, la masse de la Voie Lactée l'emportera toujours sur un compagnon plus léger.

Par conséquent, dans la vision traditionnelle selon laquelle les galaxies naines de la Voie Lactée étaient des galaxies satellites en orbite depuis plusieurs milliards d'années, on supposait qu'elles devaient être dominées par la matière sombre pour équilibrer la force de marée de la Voie Lactée et les garder intactes. Or grâce à Gaia, les astronomes ont découvert que la plupart des galaxies naines gravitent autour de la Voie Lactée pour la première fois. Cela signifie qu'elles n'ont pas nécessairement besoin de contenir de matière sombre du tout (mais beaucoup en possèdent vu la grande différence entre leur masse visible et leur masse virielle), ce qui force désormais les astronomes à réévaluer si ces systèmes sont en équilibre ou plutôt en voie de dislocation et de fusion.

Selon Timo Prusti, scientifique responsable du projet Gaia à l'ESA, "Grâce en grande partie à Gaia, il est maintenant évident que l'histoire de la Voie Lactée est bien plus riche en histoires que les astronomes ne l'avaient compris auparavant. En enquêtant sur ces indices alléchants, nous espérons découvrir davantage les chapitres fascinants du passé de notre Galaxie".

La coquille Persée-Taureau

Des astronomes du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian (CfA) de Cambridge, Mass., ont découvert dans les données de Gaia sur la Voie Lactée, une énorme bulle vide de matière entre les constellations de Persée et du Taureau qu'ils ont nommée la bulle ou coquille Persée-Taureau (Tau-Per shell). La cavité est quasi sphérique et mesure ~156 pc soit plus 500 années-lumière de diamètre. Cette découverte fit l'objet d'un article publié dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2021 par Shmuel Bialy et ses collègues comprenant notamment Catherine Zucker déjà connue pour son analyse de la Bulle Locale. Cette bulle Per-Tau se trouve juste à côté de la Bulle Locale.

Selon les chercheurs, cette bulle ou cette cavité aurait été créée suite à l'explosion d'une supernova survenue il y a environ 10 millions d'années : "les observations auxiliaires en HI, Hα, Al-26 et en rayons X soutiennent davantage ce scénario, et nous estimons l'âge de la coquille Per-Tau entre 6 et 22 millions d'années".

A voir : Gigantic Cavity in Space Sheds New Light on How Stars Form, CfA, 2021

A gauche, modélisation de la coquille Per-Tau. Les astronomes ont découvert que les nuages moléculaires du Taureau (bleu) et de Persée (rouge) connus de longue date ne sont pas indépendants. Ils se trouvent sur la surface d'une énorme cavité vide de matière mesurant ~156 pc ou plus de 500 années-lumière de diamètre formée suite à l'explosion d'une supernova il y a environ 10 millions d'années. A droite, la région des nuages moléculaires de Persée-Taureau (gauche) et la projection 2D des nuages de poussière (droite). Les modélisations montrent que les deux nuages moléculaires séparés de ~150 pc sont toujours liés mais sont situés aux extrémités opposées de la coquille Per-Tau. Documents S.Bialy et al. (2021).

Cette observation a permis de réaliser la première carte tridimentionnelle de la région montrant la formation des nuages moléculaires et d'étoiles déclenchées par la rétroaction stellaire et la supernova. Les modélisations (voir la vidéo ci-dessus) montrent que le choc engendré par la supernova aurait poussé les nuages de poussière et de gaz vers l'extérieur.

Le nuage moléculaire du Taureau situé à 125 pc du Soleil et celui de Persée situé à 320 pc que l'on croyait a priori indépendants se seraient donc formés ensembles à partir de l'onde de choc engendrée par cette explosion stellaire. Ils se sont déjà condensés et commencent à former de nouvelles étoiles. Selon Bialy, "Cela démontre que lorsqu'une étoile meurt, sa supernova génère une chaîne d'évènements qui peut finalement conduire à la naissance de nouvelles étoiles".

Les chercheurs ont également identifié d'autres nuages moléculaires sur la surface de cette bulle dont une grande structure en anneau surnommée le "Tau Ring".

Cette découverte apporte des indices sur la façon dont une supernova peut conduire à la formation de nouvelles étoiles et supporte l'idée que la Voie Lactée contiendrait des milliers de structures similaires.

Des étoiles OB dans l'Éperon de Céphée

Les étoiles OB sont les étoiles les plus rares, les plus chaudes et les plus massives dont la durée de vie est la plus courte entre toutes. Elles entretiennent de violentes réactions de nucléosynthèse les rendant au moins quatre fois plus chaudes que le Soleil (20000 à 60000 K contre 5700 K pour le Soleil). Etant donné leur masse importante elles terminent leur vie en supernova, dispersant des éléments lourds à travers la Galaxie.

Pendant des années, les astronomes ne possédaient qu'un seul catalogue des étoiles géantes OB, celui de Cameron Reed réalisé en 2003 et nommé le catalogue Alma Luminous Star (ALS) par référence au Collège Alma du Michigan où travaillait Reed, aujourd'hui retraité. Le catalogue ALS contient plus de 16000 étoiles OB. Mis à jour en 2005, il contient 18693 étoiles, pour la plupart des OB mais ~10% du catalogue concernent d'autres objets.

Grâce aux données astrométriques et photométriques de Gaia DR2, Reed et ses collègues ont pu compléter le catalogue ALS et réaliser un inventaire des étoiles massives dans le voisinage du Soleil avec un haut degré d'exhaustivité. Leur étude fut publiée dans les "MNRAS" en 2021 (en PDF sur arXiv).

Les chercheurs ont compilé leur carte stellaire en triangulant les distances des étoiles par rapport à la Terre à l'aide de la méthode de la parallaxe stellaire. En comparant les positions apparentes des étoiles, observées sous différentes perspectives depuis l'orbite de la Terre à différentes époques de l'année, les astronomes ont pu calculer la distance de chaque étoile. Grâce à cette méthode, complétée par les données de Gaia, l'équipe a cartographié les étoiles à des distances au-delà de celles cartographiées jusqu'ici et dans des zones de l'espace auparavant considérées comme vides.

Les chercheurs ont découvert à proximité du Soleil une région appelée l'Éperon de Céphée (Cepheus Spur) contenant des étoiles géantes bleues qui s'étend sur environ 10000 années-lumière et sur ~2500 années-lumière de largeur. Comme indiqué ci-dessous, il est niché entre le bras d'Orion-Cygne où se trouve le système solaire et le bras de Persée. Il se situe légèrement au-dessus du plan médian galactique et est probablement lié à la Vague de Radcliffe découverte en 2020 (voir plus bas).

Selon Reed, dans la Voie Lactée qui contient ~400 milliards d'étoiles, il pourrait y avoir au moins 200000 étoiles OB. Cette étude a répertorié 13762 étoiles massives et 1766 autres de masse élevée ou intermédiaire.

A gauche, positions de l'échantillon stellaire de l'Éperon de Céphée étudié projeté sur le plan galactique. Les barres d'erreur indiquent les incertitudes typiques pour les étoiles situées respectivement à 1, 2 et 3 kpc. A droite, même région montrant uniquement des objets massifs superposée à une illustration artistique de la Voie Lactée de Robert Hurt. Documents M.P. González et al. (2021).

Selon l'astrophysicien et astrobiologiste Michelangelo Pantaleoni González de l'Université Complutense de Madrid et du Centre d'Astrobiologie CSIC-INTA, coauteur de cette étude, "ces étoiles massives sont responsables de la création de nombreux éléments lourds et peuvent vraiment être considérées comme les enrichisseuses chimiques de la Voie Lactée. C'est à cause d'étoiles comme celles-ci, mortes il y a longtemps, que la géochimie de notre planète a été complexe, assez pour créer des réactions biochimiques". Selon les chercheurs, partout où l'on trouve des étoiles bleues, on trouve les régions les plus actives de la Galaxie.

Reed et ses collègues ont prouvé que l'Éperon de Céphée fait partie du disque galactique spiralé comprenant la majeure partie du matériel de la Voie Lactée et n'est pas seulement un alignement aléatoire d'étoiles. En découvrant la position surélevée de l'Éperon et sa légère ondulation, ils soupçonnent également qu'il pourrait fournir des indices intéressants sur le passé de la Voie Lactée. En effet, la présence d'ondulations verticales et horizontales dans les bras et dans le disque galactique pourraient être les traces d'un passé violent. Selon González, "Elles pourraient être des signes de collisions passées avec d'autres galaxies". Nous verrons plus loin que la Voie Lactée fusionna avec de nombreuses galaxies naines. Cette ondulation dans l'Éperon de Céphée en serait une trace supplémentaire qu'il faudra confirmer.

A gauche, cartographie des surdensités significatives autour de la position du Soleil (indiquée par l'étoile) avec la localisation de l'Epéron de Céphée riche en étoiles OB. A droite, distribution des étoiles massives dans l'Éperon de Céphée vu de profil. La position du Soleil est indiquée par l'étoile jaune. Le panneau central représente les objets dans les deux premiers quadrants galactiques et le panneau de droite l'équivalent pour les objets dans les deux derniers quadrants galactiques. Ce segment de bras ondule et se situe légèrement au-dessus du plan de la Voie Lactée. Documents M.P.González et al. (2021).

Le prochain objectif des chercheurs sera de placer des étoiles OB supplémentaires dans une carte plus détaillée qui, espèrent-ils, apportera encore plus d'informations sur la structure de la Voie Lactée.

Deuxième partie

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