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Les découvertes de Gaia

Illustration des courants et autres traces laissées par le troisième passage de la galaxie naine sphéroïdale Sagittarius (SagDEG) à travers le disque de la Voie Lactée. Document ESA.

Le crash de Sagittarius (II)

Découverte en 1994 (cf. R.A. Ibata et al. 1994; K.V. Johnston et al., 1995), la galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire alias Sagittarius ou SagDEG (également connue sous l'acronyme Sgr dSph, Sgr dE ou simplement Sgr), à ne pas confondre avec SagDIG qui est une naine irrégulière, mesure 10000 années-lumière et se situe à environ 70000 années-lumière. Sagittarius est 10000 fois moins massive que notre Galaxie. C'est une galaxie satellite de la Voie Lactée au même titre que des dizaines d'autres galaxies naines. Sagittarius ne contient que quelques dizaines de millions d'étoiles et 4 amas globulaires dont M54 (NGC6715) situé à 50000 années-lumière.

Dans un article publié dans la revue "Nature Astronomy" en 2020, Tomás Ruiz-Lara, de l'Institut d'Astrophysique des Canaries (IAC) à Ténérife, en Espagne, et ses collègues ont découvert grâce aux données de la 2e publication de Gaia (DR2) et des simulations que Sagittarius a traversé le disque de la Voie Lactée à plusieurs reprises. Cela s'est produit au moins trois fois dans le passé : il y a 5.7 milliards d'années, 1.9 milliard d'années et 1 milliard d'années. À chaque collision, la Voie Lactée a dépouillé les étoiles et même la matière sombre de Sagittarius, laissant derrière elle une galaxie naine de plus en plus petite et anémiée. A terme, Sagittarius fusionnera complètement avec la Voie Lactée. Mais bien que très peu massive par rapport à notre Galaxie, ses multiples interactions ont laissé des traces importantes.

Les chercheurs ont constaté que dans le sillage laissé par Sagittarius lors de ses passages successifs à travers le disque de la Voie Lactée, les formations stellaires se sont accélérées. En fait, l'une de ces périodes coïncida à peu près avec la formation du Soleil et de son cortège planétaire il y a 4.7 milliards d'années.

Des études antérieures ont montré que malgré sa masse importante, même la structure en spirale de la Voie Lactée pourrait être le résultat d'au moins trois collisions avec Sagittarius au cours des 6 derniers milliards d'années.

Les chercheurs pensent que chaque passage provoqua des ondulations de matière dans le milieu interstellaire, comme une pierre jetée dans l'eau engendre des ondes. En conséquence, la concentration de gaz et de poussière dans certaines zones de la Voie Lactée augmenta au point de déclencher la formation d'étoiles. Selon Ruiz-Lara, "Après une première période violente de formations stellaires, déclenchées en partie par une fusion antérieure, la Voie Lactée avait atteint un état d'équilibre dans lequel les étoiles se formaient régulièrement. La Galaxie était relativement calme. Soudainement, le Sagittaire est tombé dedans et a perturbé l'équilibre, déplaçant tout le gaz et la poussière auparavant immobiles à l'intérieur de la plus grande galaxie comme des ondulations dans l'eau."

A voir : Zooming in on the globular star cluster Messier 54, ESO

Illustration de l'évolution de la galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire (Sagittarius ou SagDEG) depuis 8 milliards d'années. Ce serait son troisième passage dans le disque de la Voie Lactée. Document ESA adapté par l'auteur.

Cette étude s'appuie sur une étude publiée en 2019 par des chercheurs de l'Université de Barcelone qui calcula la taille et la luminosité réelles de millions d'étoiles observées par Gaia. Les chercheurs avaient conclu que la formation d'étoiles dans la Voie Lactée avait diminué depuis sa formation jusqu'à il y a environ 5 milliards d'années, où elle a soudainement accéléré. Jusqu'à la moitié de la masse totale de toutes les étoiles créées dans le disque mince de la Voie Lactée - qui contient la majorité des étoiles de la Galaxie - a été produite au cours de cette période.

Il semble établi que sans l'interaction de la relativement petite galaxie naine du Sagittaire, la Voie Lactée aurait été très différente aujourd'hui et aurait eu beaucoup moins d'étoiles. Selon Timo Prusti de la mission Gaia, "C'est vraiment la première fois que nous voyons une histoire détaillée de la formation stellaire de la Voie Lactée. C'est un témoignage de la puissance scientifique de Gaia que nous avons vu se manifester encore et encore dans d'innombrables études révolutionnaires en une période de seulement quelques années."

Une onde dans la Galaxie : l'escargot de Gaia

Selon une étude publiée dans la revue "Nature" (en PDF sur arXiv) en 2018 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 sphéroïdale du Sagittaire (SagDEG), 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. Ce motif est parfois surnommé "l'escargot de Gaia".

A gauche, distribution des étoiles de la Voie Lactée dans le plan vertical position-vitesse (Z-Vz, par rapport au plan galactique). A droite, 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). Documents T.Antoja et al. (2018) adapté par l'auteur et ESA.

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 soient 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.

Preuve d'une collision latérale avec une galaxie naine

Alors qu'il y a encore quelques générations, on imaginait que les galaxies subissaient peu de collisions, en réalité il s'avère qu'elles en subissent énormément - des dizaines en quelques milliards d'années - principalement avec des galaxies naines qu'elles absorbent et qui contribuent à augmenter leur masse et modifier leur forme.

Ainsi, dans un article publié dans l'"Astrophysical Journal" en 2020 (en PDF sur arXiv), Heidi Jo Newberg, professeur de physique, physique appliquée et d'astronomie à l'Institut Polytechnique Rensselaer de Troy, dans l'État de New York aux Etats-Unis, et ses collègues ont annoncé la découverte d'une collision latérale survenue il y a plusieurs milliards d'années entre une galaxie naine et la Voie Lactée. Cette fusion (merge) engendra une série de formations stellaires en forme de coquilles révélatrices à proximité de la constellation de la Vierge comme le montre la simulation présentée à droite.

La découverte est doublement intéressante car il s'agit des premières structures en coquilles de ce type découvertes dans la Voie Lactée.

La Fusion Radiale de la Vierge

Cette découverte fait suite à l'identification par plusieurs astronomes d'une surdensité d'étoiles dans la constellation de la Vierge il y a plusieurs décennies (cf. A.K. Vivas et al., 2001; R.Ibata et al., 2001). Les études ont révélé que certaines de ces étoiles se déplacent dans notre direction tandis que d'autres s'éloignent, ce qui est inabituel car un groupe d'étoiles voyage généralement de concert. Selon Newberg qui est expert du halo de la Voie Lactée, "Ce groupe d'étoiles avait tout un tas de vitesses différentes, ce qui était très étrange. Mais maintenant que nous voyons leur mouvement dans son ensemble, nous comprenons pourquoi les vitesses sont différentes, et pourquoi elles se déplacent comme elles le font."

Arrêt sur image sur une simulation du Virgo Radial Merger (VRM, cf. la vidéo). Les étoiles identifiées forment des surdensités, des coquilles suite à une collision radiale survenue entre une galaxie naine et la Voie Lactée il y a ~2.7 milliards d'années. Simulation de T.Donlon (2020).

Sur la base de nouvelles données, les chercheurs ont proposé dans un article publié en 2019 que la surdensité était le résultat d'une fusion radiale. Les structures en coquilles représentent des plans d'étoiles incurvés comme des parapluies laissés lorsque la galaxie naine fut disloquée, rebondissant littéralement de haut en bas à travers le centre de la Voie Lactée dans un mouvement de va-et-vient graduellement amorti, chaque écrasement au centre engendrant la formation d'une nouvelle structure en coquille. Les chercheurs ont surnommé cet évènement, la "Fusion Radiale de la Vierge" (Virgo Radial Merger). Des simulations ont permis de reproduire la séquence complète de collision et de calculer quand elle s'était produite.

Sur la base des données du SDSS (Sloan Digital Sky Survey), du satellite Gaia et du télescope LAMOST installé en Chine, les chercheurs ont identifié deux structures en coquille dans la surdensité de la Vierge et deux autres dans la région du nuage Hercules Aquila (HAC). La modélisation informatique des coquilles et du mouvement des étoiles indique que la galaxie naine traversa pour la première fois le centre de la Voie Lactée il y a ~2.7 milliards d'années.

Ces fusions dites marémotrices sont assez courantes et on en trouve de nombreuses traces dans le halo galactique sous former de longs rubans d'étoiles se déplaçant à l'unisson dans le halo. On reviendra sur les autres collisions.

Avec le temps, les fusions radiales ou latérales violentes sont devenues beaucoup plus rares. Les plus connues ont été découvertes dans des galaxies éloignées (cf. les interactions entre galaxies). Thomas Donlon II qui est le principal auteur de l'article sur la Fusion Radiale de la Vierge publié en 2019 fut le premier à proposer une fusion latérale. En effet, alors qu'avec ses collègues ils modélisaient le mouvement de la surdensité de la Vierge, ils ont réalisé que c'est le même type de fusion qui provoque les grandes coquilles multiples qu'on observe dans certaines galaxies comme NGC 474/NGC 470 alias Arp 227. Selon Donlon, "L'une des différences est que nous sommes à l'intérieur de la Voie Lactée, donc nous avons une perspective différente, et c'est aussi une galaxie à disque et nous n'avons pas autant d'exemples de structures en coquilles dans ce type de galaxie."

Cette découverte a des implications potentielles pour un certain nombre d'autres phénomènes stellaires, y compris la "saucisse de Gaia", une formation d'étoiles qui aurait résulté de la fusion d'une galaxie naine il y a 8 à 10 milliards d'années (voir plus bas).

Des travaux antérieurs ont soutenu l'idée que la Fusion Radiale de la Vierge et la saucisse de Gaia résultaient du même évènement. Mais l'estimation d'âge beaucoup plus basse pour la Fusion Radiale de la Vierge signifie que soit les deux évènements sont différents soit que la "saucisse de Gaia" est beaucoup plus jeune et n'aurait pas pu provoquer la création du disque épais de la Voie Lactée, comme on l'affirma en 2018.

Un modèle en spirale fut également découvert dans les données de position et de vitesse des étoiles proches du Soleil, parfois appelé "l'escargot de Gaia" (voir plus bas), et un autre évènement hypothétique appelé "Splash", peuvent également être associés à la Fusion Radiale de la Vierge. Selon Newberg, "Il y a beaucoup de liens potentiels avec cette découverte. La Fusion Radiale de la Vierge ouvre la porte à une meilleure compréhension d'autres phénomènes que nous voyons et ne comprenons pas complètement, et qui pourraient très bien avoir été affectés par quelque chose qui est tombé en plein milieu de la Galaxie il y a moins de 3 milliards d'années."

A voir : The Milky Way's Shell Structure Reveals the Time of a Radial Collision

Simulation of the Virgo Radial Merger (VRM)

Les Courants d'Helmi

Illustration des principales collisions et/ou fusions que connut la Voie Lactée depuis 11 milliards d'années. Document Dailymail adapté par l'auteur.

Après avoir étudié pendant 22 mois des millions d'étoiles de la Voie Lactée grâce à Gaia, dans un article publié dans la revue "Nature" en 2018, l'expert en archéologie galactique Amina Helmi de l'Université de Groningen, aux Pays-Bas, et ses collègues ont découvert qu'un groupe de 30000 étoiles se déplaçait de manière synchronisée dans le voisinage du Soleil dans la direction opposée au reste de leur échantillon de sept millions d'étoiles.

Ce modèle de mouvement atypique correspondait à ce que les scientifiques avaient précédemment observé dans des simulations informatiques modélisant des collisions et des fusions galactiques.

En terme de couleur et de luminosité, les étoiles de ce groupe surnommé les "Courants d'Helmi" occupent une place particulière dans le diagramme H-R. C'est de toute évidence une population distincte de celle de la Voie Lactée. Autrement dit, elles proviendraient d'une autre galaxie. Selon Helmi, "La collection d'étoiles que nous avons trouvée avec Gaia a toutes les propriétés de ce que vous attendez des débris d'une fusion galactique".

Une analyse plus approfondie confirma que les étoiles, qui font désormais partie du halo interne de la Voie Lactée et du disque épais galactique, doivent provenir d'une autre galaxie surnommée Gaia-Encélade (voir ci-dessous).

Les débris de Gaia-Encélade

Amina Helmi précitée et ses collègues ont découvert les "Courants d'Helmi", un groupe de 30000 étoiles qui se déplace de manière synchronisée à travers la Galaxie. Leur analyse montre qu'il s'agit clairement d'une population distincte, différente des étoiles de la Voie Lactée..

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.

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 sphéroïdale du Sagittaire alias Sagittarius (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 Sagittarius.

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.

Mais comme nous l'avons expliqué plus haut à propos de la Fusion Radiale de la Vierge (les coquilles stellaires découvertes dans la Voie Lactée), il faut replacer cet évènement dans son contexte et notamment par rapport aux autres collision pour comprendre quelle fusion contribua à quelle partie de la Voie Lactée, un puzzle qu'il ne sera pas facile d'assembler avant longtemps.

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".

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.

Des galaxies naines dérobées au Grand Nuage de Magellan

Autour de la Voie Lactée gravitent au moins 50 galaxies naines (cf. le Groupe Local dans l'article sur les amas de galaxies) dont le Grand Nuage de Magellan (LMC). Dans une étude publiée dans les "MNRAS" en 2019, le postdoctorant Ethan D. Jahn et ses collègues de l’Université de Californie à Riverside (UCR) ont découvert que plusieurs de ces galaxies naines avaient probablement été dérobées au LMC, y compris plusieurs naines de faibles masses mais relativement brillantes dont les galaxies Carina Dwarf et Fornax Dwarf.

Les chercheurs ont fait cette découverte en utilisant les données de Gaia sur les mouvements de plusieurs galaxies proches et en les comparant aux dernières simulations hydrodynamiques tenant compte de la matière sombre. Ils ont constaté qu'au moins quatre naines ultra-légères et deux naines classiques (Carina et Fornax) étaient auparavant des satellites du LMC. Cependant, dans le cadre du processus de fusion en cours, la Voie Lactée étant plus massive, son puissant champ gravitationnel a "déchiré" le LMC et attira ces satellites.

Pour obtenir ce résultat, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques du projet Feedback In Realistic Environments pour montrer que le LMC et les galaxies similaires hébergent de nombreuses petites galaxies naines dont beaucoup ne contiennent aucune étoile mais uniquement de la matière sombre. En effet, selon les chercheurs, le nombre élevé de minuscules galaxies naines semble indiquer que le contenu en matière sombre du LMC est assez important, ce qui signifie que la Voie Lactée connaît actuellement la fusion la plus massive de son histoire.

A gauche, Ethan Jahn et Laura Sales à l'Université de Princeton en 2019 discutant de la simulation décrite dans leur article sur le LMC. A droite, extrait d'une simulation utilisée dans cette étude. En haut à gauche, la matière noire est représentée en blanc. En bas à droite, une galaxie simulant le Grand Nuage de Magellan contenant des étoiles et du gaz, ainsi que plusieurs galaxies naines satellites.

Selon Jahn, le LMC apporta jusqu'à un tiers de la masse du halo de matière sombre de la Voie Lactée et il est tout à fait possible que le LMC contienne encore de nombreuses galaxies naines de matière sombre. Mais vu leur nature, elles sont très difficiles à détecter (rappelons que le LMC hébergea au moins sept galaxies satellites, dont le Petit Nuage de Magellan (SMC), avant d'être capturé par la Voie Lactée).

Selon Laura Sales, auteure principale de cette étude, "ces résultats sont une confirmation importante de nos modèles cosmologiques qui prédisent que les petites galaxies naines devraient également être entourées d'une population de plus petits compagnons constitués de galaxies plus pâles. C’est la première fois que nous sommes en mesure de cartographier la hiérarchie de la structure de naines aussi pâles".

Ces résultats ont également des implications importantes pour déterminer la masse totale du LMC et pour préciser la formation de la Voie Lactée. En effet, si autant de galaxies naines du LMC furent récemment attirées par la Voie Lactée, cela signifie que les propriétés des galaxies satellites de la Galaxie étaient radicalement différentes il y a à peine un milliard d'années, ce qui a une incidence sur notre compréhension de la formation et de l'évolution des galaxies les plus pâles.

Le prochain objectif des chercheurs est d'étudier comment les satellites des galaxies de la taille du LMC forment leurs étoiles et de quelle manière ce processus est lié à la matière sombre qu'elles abritent. Il sera notamment intéressant de savoir si en présence de matière sombre ces galaxies se forment de la même manière et ressemblent ou non à la Voie Lactée.

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.

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.

Gaia n'a pas fini de nous surprendre.

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