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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 devrait se terminer en 2020. Gaia poursuit la tâche commencée par le satellite Hipparcos (1989) et a pour but de mesurer les paramètres (position, distance, mouvement intrinsèque, parallaxe, magnitude, luminosité, couleur, etc.) de plus de 1.7 milliard d'objets célestes (astéroïdes, exoplanètes, étoiles, amas ouverts, amas globulaires 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 (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 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 en 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.

A voir : How Gaia Changed Astronomy Forever, 2018

Découverte d'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.

Nouvelles cartes du bras local

Le 3 décembre 2020, l'ESA publia la distribution préliminaire EDR3 de Gaia qui comprend les paramètres de plus de 1.81 milliard de sources stellaires dans un rayon de 15 kpc autour du Soleil (contre 1.69 milliard pour DR2 et 1.14 milliard pour DR1). Deux études basées sur ces nouvelles données suggèrent que le bras local de la Voie Lactée est plus long que prévu et semble former une spirale majeure.

La première étude fut publiée dans la revue "Astronomy & Astrophysics" (en PDF sur arXiv) par l'équipe de Ye Xu de l'Observatoire de la Montagne Pourpre (Purple Mountain, PMO), en Chine, la seconde sur "arXiv" par l'équipe d'Eloisa Poggio de l'Université de la Côte d'Azur, en France.

Xu et ses collègues ont sélectionné près de 10000 étoiles de type spectral O à B2, des étoiles massives et brillantes âgées de plus de 20 millions d'années et donc assez proches de leurs lieux de naissance dans les bras en spirale. Poggio et ses collègues ont cartographié plus de 750000 étoiles parmi les plus massives de la Séquence principale ainsi qu'environ 700 amas ouverts brillants âgés de moins de 100 millions d'années et près de 2000 céphéides, des jeunes étoiles variables dont les distances sont connues avec précision. Ces étoiles et amas stellaires se sont éloignés du bras local dans lequel ils sont nés, donnant une vue un peu moins précise de la structure en spirale.

Malgré leurs différences, comme on le voit ci-dessous les deux études révèlent que le bras local est plus long que prévu, mesurant entre 7 et 10 kpc soit entre 23000 et 26000 années-lumière. Cette découverte en fait une caractéristique majeure du bras en spirale voire un véritable bras en spirale.

La structure en spirale de la Voie Lactée vue de face autour de la position du Soleil (en (X,Y) = (0,0).) La Galaxie tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. A gauche, de l'intérieur vers l'extérieur de la Galaxie, on distingue le bras de Scutum-Centaurus (vert), le bras du Sagittaire-Carina (violet), le bras local (bleu) et le bras de Persée (noir). Les masers radio (triangles) émis par les nuages moléculaires retracent les bras le plus fidèlement en raison de leur jeunesse, mais les masers ne couvrent qu'un tiers de la Voie Lactée. L'équipe de Xu s'est tournée vers les étoiles O et B les plus massives (rouges) pour ajouter plus de données, traçant un bras local plus long que prévu. Sur la gauche, le bras Local semble s'incurver vers l'intérieur. A droite, la cartographie des surdensités significatives comparées à la répartition des jeunes amas ouverts et intrinsèquement lumineux (les points noirs). La carte est orientée de la même façon que la carte précédente. Les courbes continues représentent le modèle de bras en spirale selon Taylor & Cordes (1993), basé sur les régions HII. A comparer avec la carte des surdensités présentée plus haut tournée de -90°. Documents Y.Xu et al. (2021) et E.Poggio et al. (2021) adapté par l'auteur.

Mais étant plongé dans le bras en spirale, nous manquons de perspective et toujours de données pour interpréter correctement les résultats. Les deux équipes ne s'accordent pas sur la forme du bras local. Alors que l'équipe de Xu considère que le bras local pourrait se courber vers l'intérieur, la carte créée par l'équipe de Poggio le montre comme une structure presque droite. En fait, le bras local peut également former un angle ou une bifurcation et, comme les autres bras, son angle d'inclinaison n'est pas constant, rendant difficile l'identification des différentes sections qui le composent.

Les astronomes ont longtemps pensé que les bras en spirale sont le résultat des ondes de densité (cf. la cinématique des galaxies), lorsque la matière interstellaire et les étoiles encerclant le centre galactique se resserrent dans une région précise en formant une surdensité qui, à grande échelle, forme une spirale. De nombreuses étoiles sont nées dans ces surdensités puis les ont quittées mais la surdensité est restée au même endroit, comme une grande vague se reforme au même endroit de la côte.

Mais la forme irrégulière des bras de la Voie Lactée qui rappellent ceux des galaxies stochastiques, y compris la segmentation du bras local, suggère qu'il pourrait exister un autre mécanisme, dans lequel des amas d'étoiles se forment puis s'allongent pour former des segments de bras. Au fil des rotations galactiques, ces segments se rejoignent pour former des bras plus longs sans jamais former une véritable structure en spirale.

Ce mécanisme ne fonctionne pas pour former les galaxies n'ayant que deux bras en spirale qui semblent parfaitement appliquer la théorie des ondes de densité. Selon les données actuelles, la Voie Lactée est une spirale à bras multiples qui ne sont sans doute pas formés de la même façon.

Pour affiner ce modèle, il faudra que Gaia continue de mesurer la position et les mouvements d'autres étoiles de la Galaxie, en particulier des jeunes étoiles plus pâles et donc plus éloignées, grâce auxquelles on pourra confirmer les détails du bras dans lequel nous vivons, ainsi que la structure des autres bras de la Voie Lactée.

La Vague de Radcliffe

Grâce aux données de Gaia, une équipe d'astronomes de l'Université de Harvard a découvert dans la Voie Lactée la plus grande structure gazeuse monolithique. En forme d'onde, elle est composée de pépinières d'étoiles interconnectées. En l'honneur du Radcliffe Institute for Advanced Study à la base de cette étude, cette structure ondulée fut surnommée la "Vague de Radcliffe". Cette découverte met un terme à la vision vieille de près de 150 ans de la fameuse soi-disant "Ceinture de Gould". Les résultats de cette étude furent publiés dans la revue "Nature" en 2020 par João Alves de l'Université de Vienne et ses collègues.

Simulation 3D de la Vague de Radcliffe. Document WorldWide Telescope avec la permission d'Alyssa Goodman.

La Vague de Radcliffe est une structure longue et mince : elle s'étend sur environ 9000 années-lumière (2.7 kpc) pour une largeur de 400 années-lumière et présente une amplitude de 500 années-lumière par rapport au plan médian du disque de la Voie Lactée. Elle forme un filament composé de gaz et de poussière dans lequel se trouvent de nombreuses pépinières d'étoiles. Elle faisait partie de la "Ceinture de Gould", une bande densément peuplée d'étoiles inclinée d'environ 20° sur le plan galactique et formant apparemment un anneau presque centré sur le Soleil. On sait aujourd'hui qu'il s'agissait d'une vision erronée.

Selon l'astrophysicienne Alyssa Goodman de l'Université d'Harvard, chercheuse associée à l'Institut Smithsonian et coauteure de cet article, "Aucun astronome ne s'attendait à ce que nous vivions à côté d'une collection géante de vagues de gaz - ou qu'il forme le bras local de la Voie Lactée." Les chercheurs furent très étonnés d'apprendre à quel point la Vague de Radcliffe était rectiligne vue du haut et en 3D, mais aussi à quel point elle était sinusoïdale vue de la Terre. Selon Goodman, "L'existence même de la Vague nous oblige à repenser notre compréhension de la structure 3D de la Voie Lactée."

Selon Alves, "Gould et Herschel ont tous deux observé des étoiles brillantes en formation dans un arc projeté sur le ciel, donc depuis longtemps, les gens tentent de déterminer si ces nuages ​​moléculaires forment réellement un anneau en 3D. A la place, ce que nous avons observé est la plus grande structure de gaz monolithique que nous connaissons dans la Galaxie, organisée non pas dans un anneau mais dans un filament massif et ondulant".

La nouvelle carte tridimensionnelle offre aux chercheurs une vue révisée de la Voie Lactée ouvrant la porte à d'autres découvertes majeures. Selon Alves, "Nous ne savons pas ce qui provoque cette forme, mais cela pourrait être comme une ondulation dans un étang, comme si quelque chose d'extraordinairement massif atterrissait dans notre Galaxie. Ce que nous savons, c'est que le Soleil interagit avec cette structure. Il est passé par un festival de supernovae en traversant [le bras d']Orion il y a 13 millions d'année et dans 13 millions d'années, il traversera à nouveau la structure, un peu comme si nous "surfions sur la vague" ".

Identifier correctement les structures dans le voisinage poussiéreux du Soleil est un défi de longue date en astronomie. Dans des études antérieures, des chercheurs de l'Université d'Harvard (cf. les travaux de Douglas Finkbeiner) avaient déjà essayé de cartographier la distribution tridimensionnelle de la poussière à l'aide de sondages statistiques sur les couleurs des étoiles. Grâce à Gaia, d'autres chercheurs ont récemment complété ces données (cf. Catherine Zucker et al., 2019), améliorant considérablement la capacité des astronomes à mesurer les distances qui nous séparent des régions de formations stellaires.

A voir : The Radcliffe Wave, WWT

.

Structure spatiale de la Vague de Radcliffe. Document J.Alves et al. (2020) adapté par l'auteur.

Selon Zucker de l'Université d'Harvard, "Nous pensions qu'il pourrait y avoir des structures plus grandes que nous ne pouvions tout simplement pas mettre en contexte. Ainsi, pour créer une carte précise de notre voisinage solaire, nous avons combiné les observations des télescopes spatiaux comme Gaia avec l'astrostatistique, la visualisation des données et les simulations numériques. Le Soleil se trouve à seulement 500 années-lumière du point le plus proche de la Vague. Il était toujours devant nos yeux, mais nous ne pouvions pas le voir jusqu'à présent".

Finkbeiner précise que "L'étude des naissances stellaires est compliquée en raison de données imparfaites. Nous risquons de nous tromper sur les détails, car si vous êtes imprécis au sujet de la distance, vous êtes imprécis au sujet de la taille." Goodman le confirme également : "Toutes les étoiles de l'univers, y compris notre Soleil, sont formées dans des nuages ​​de gaz et de poussière dynamiques et effondrés. Mais il a été difficile de déterminer la masse et la taille des nuages, car ces propriétés dépendent de l'éloignement du nuage".

Rappelons qu'avant le lancement de Gaia il n'existait pas d'ensemble de données suffisamment étendus pour révéler la structure de la Galaxie à grande échelle. Depuis 2013, Gaia a permis de mesurer les paramètres dont la distance de 1.7 milliard d'étoiles dans la Voie lactée (en 2018). Ce vaste ensemble de données a servi de banc d'essai parfait pour de nouvelles méthodes statistiques innovantes qui ont permis de cartographier l'emplacement des nuages de poussières proches en 3D, révélant la forme des pépinières stellaires locales et leur connexion à la structure galactique de la Voie Lactée. Sans Gaia, les astronomes n'auraient jamais découvert la Vague de Radcliffe.

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 des méthodes d'apprentissage automatique.

Simulation de la Voie Lactée par FIRE telle qu'elle était quelques millions d'années après sa formation.

Document 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 le Courant Helmi", 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.

Aujourd'hui (2020), pour poursuivre ce travail, les chercheurs utilisent 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 enthousiamé 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".

Découverte d'une troisième population stellaire dans le disque galactique

Au cours d'une étude sur la cinématique et la composition chimique d'un échantillon d'étoiles proches du Soleil, l'équipe de Daniela Carollo de l'Observatoire d'Astrophysique de Turin et ses collègues a découvert que les étoiles qui composent le disque épais de la Voie Lactée appartiennent à deux populations stellaires distinctes aux caractéristiques différentes et non à une seule, comme on le pensait depuis la fin des années 1990. Les résultats de leur étude furent publiés dans l'"Astrophysical Journal" en 2019 (en PDF sur arXiv).

La nouvelle composante du disque épais, appelée le disque épais faible en métal ou MWTD (Metal-Weak Thick Disk), diffère du modèle canonique par la vitesse de rotation autour du centre galactique et sa composition chimique. En effet, les étoiles qui composent le disque épais (ou TD) ont une vitesse de rotation d'environ 180 km/s, tandis que celles du MWTD tournent plus lentement, à environ 150 km/s. Les étoiles appartenant au MWTD sont également deux fois plus pauvres en métaux que celles du TD et ont une énergie plus élevée, une propriété qui leur permet d'atteindre de plus grandes hauteurs par rapport au plan galactique.

Distribution logarithmique du nombre de densité dans les plans (Lz, Lp) et ([Fe/H], Lz). Document D.Carollo et al. (2019).

Les paramètres précis fournis par Gaia et les informations chimiques sur un échantillon de 40000 étoiles du sondage SDSS ont permis à l'équipe de distinguer le MWTD dans un diagramme montrant les moments angulaires combinés avec la chimie. Selon Carollo, "Les impulsions angulaires sont des quantités qui sont conservées pendant la formation et l'évolution ultérieure d'un système physique comme notre galaxie. Ainsi, dans un diagramme précis des moments angulaires, les étoiles introduites dans la galaxie par le même progéniteur, comme par exemple d'une fusion précédente d'une galaxie satellite, auront des moments angulaires similaires et auront tendance à se regrouper dans le diagramme".

Le TD et le MWTD forment deux groupes distincts dans le diagramme, ainsi que dans leur chimie. Pour rappel, les éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, qui se sont formés lors du Big Bang, sont définis comme des métaux. Ces éléments chimiques plus lourds ont été produits lors de la nucléosynthèse au coeur des étoiles ainsi que lors de l'explosion des étoiles massives en supernovae.

Un groupe particulier d'éléments légers tels que le magnésium et le titane, par rapport aux éléments plus lourds tels que le fer, fournit un paramètre fondamental qui permet aux scientifiques de distinguer les populations d'étoiles jeunes et anciennes. Le MWTD possède non seulement des étoiles plus pauvres en fer, mais ces étoiles sont également plus riches en éléments du groupe magnésium et titane (éléments alpha) qui suggèrent une formation antérieure au TD.

Ces différences importantes entre le TD et le MWTD, à savoir la cinématique et la chimie de leurs étoiles, suggèrent que les deux disques avaient une origine différente au cours du processus de formation de la Voie Lactée.

Mais comment s'est formé le disque TD de la Voie Lactée ? Les hypothèses sont multiples : le MWTD pourrait être plus ancien que le TD et ses étoiles auraient pu être dynamisées par la fusion d'une galaxie satellite naine avec la Voie Lactée lors de sa phase de formation initiale. Par la suite, la fusion d'une deuxième galaxie satellite aurait donné naissance au TD.

Une autre possibilité est que les étoiles composant le MWTD se sont initialement formées dans une zone plus proche du centre de la Galaxie primordiale et ont ensuite été transportées sur de plus grandes distances, plus près de l'endroit où se trouve aujourd'hui le Soleil, par des phénomènes internes tels que les instabilités de la barre centrale ou de la formation des bras en spirale de la Voie Lactée. Ou encore, une ancienne galaxie satellite de masse similaire au Petit Nuage de Magellan a fusionné avec la Galaxie primordiale et ses étoiles ont commencé à tourner autour du centre galactique en raison de l'interaction gravitationnelle mutuelle.

Toutes ces hypothèses peuvent être testées à travers des modèles théoriques et des simulations de formation de galaxies semblables à la Voie Lactée.

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".

Comme on le voit dans l'animation ci-dessous, 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.

A voir : Mapping the Milky Way

Gaia réalise la première mesure de la barre galactique 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.

A voir : Fusion de galaxies spirales, UCSC/NASA

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.

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