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La Voie Lactée

Le centre de la Voie Lactée (V)

Le Soleil étant plongé dans le disque galactique, il nous est très difficile d'observer le noyau, du moins en lumière visible car l'extinction de la lumière atteint 30 magnitudes dans la région du Sagittaire-Scorpion. En effet, le milieu interstellaire est opaque dans les rayonnements visible, UV et X.

Aussi les astronomes ont-ils tenté de sonder le coeur de la Galaxie et les régions situées derrière le bulbe en utilisant des longueurs d'ondes dans lesquelles la matière interstellaire était transparente. Ce fut le début des premières découvertes en infrarouge proche, en ondes radios millimétriques, submillimétriques, X durs et gamma.

A gauche, profil radioélectrique de la Voie Lactée entre les ondes UHF (408 MHz) et micro-ondes (~GHz). Ce rayonnement est principalement généré par l'émission de l'hydrogène mais également par l'effet indirect de la matière noire ou de l'énergie sombre sur la matière baryonique. A droite, carte multispectrale de la Voie Lactée entre le rayonnement visible (optique) et les rayons gamma. Documents UCLA et NVO/NASA.

En 1990, l'expérience DIRBE embarquée à bord du satellite COBE permit de produire la première image en fausse couleur du centre de la Galaxie (2e image ci-dessus à droite à partir du haut). Elle représentait l'émission proche-infrarouge des étoiles et des poussières présentes tout autour du noyau. Le disque galactique, riche en poussières est clairement visible. Le noyau, par contraste, contient peu de poussières.

Si nous connaissons relativement bien les régions proches du Soleil (jusqu'à quelques milliers d'années-lumière), jusqu'à la construction des grandes télescopes et l'avènement de l'astronomie spatiale, le coeur de la Voie Lactée resta une Terra Incognita. Ce n'est que depuis le tournant du millénaire et même plus récemment que nous savons ce qu'il cache bien qu'il subsiste de nombreuses zones vierges et des questions ouvertes. Allons donc explorer le coeur de la Voie Lactée.

Sursaut d'activité stellaire il y a 1 milliard d'années

Dans une article publié dans la revue "Astronomy & Astrophysics" en 2019 (disponible en PDF), l'astronome F.Nogueras-Lara aujourd'hui à l'Institut Max Planck d'Astronomie en Allemagne et ses collègues issus de laboratoires d'Espagne, des Etats-Unis, du Japon et d’Allemagne ont publié les résultats d'une étude sur le noyau de la Voie Lactée dans laquelle ils présentent la photo du centre galactique en haute résolution que l'on voit ci-dessous.

Cette image qui présente une résolution de 0.2" d'arc constitue la première publication du sondage GALACTICNUCLEUS. Ce programme repose sur l'utilisation de l'instrument HAWK-I installé sur le VLT de l'ESO, un système à grand champ et très haute résolution angulaire qui vise à créer une image parfaitement nette des régions centrales de la Voie Lactée.

Image du coeur de la Voie Lactée prise par l'instrument HAWK-I installé sur le VLT de l'ESO. Sur la photo originale, la résolution est de 0.2". Document F.Nogueras-Lara et al. (2019).

Le sondage a permis d'étudier plus de trois millions d’étoiles distribuées sur plus de 60000 années-lumière2 centrée sur le cœur de la Galaxie afin de mieux comprendre le processus de formation stellaire dans cette région très ancienne et très riche de la Voie Lactée.

Les chercheurs ont découvert qu'il y eut un sursaut de formation stellaire qui s'est traduite par l'explosion de plusieurs centaines de milliers d'étoiles en supernovae. Selon Nogueras-Lara, "Contrairement à l’hypothèse formulée jusqu'à présent, nous avons constaté la discontinuité temporelle de la formation d'étoiles."

Selon les chercheurs, quelque 80% des étoiles peuplant les régions centrales de la Voie Lactée se sont formées durant la première phase de l'existence de notre Galaxie, soit entre 13.5 et 8 milliards d’années avant notre époque. Cette première période de formation stellaire fut suivie par une période calme qui dura quelque six milliards d’années durant laquelle très peu d’étoiles se sont formées. Cette période s'acheva voici un milliard d’années par un intense sursaut de formation stellaire.

Ce sursaut dura moins de 100 millions d’années et donna lieu à la formation d’étoiles au sein des régions centrales de la Galaxie dont la masse combinée excèda probablement plusieurs dizaines de millions de masses solaires. Selon Nogueras-Lara, "Les conditions régnant au sein des régions centrales durant ce sursaut d‘activité furent certainement semblables à celles caractérisant les galaxies à sursauts d’étoiles, qui donnent naissance aux étoiles à un rythme supérieur à 100 masses solaires par an [contre 2.9 M par an de nos jours]. Ce sursaut d’activité, certainement responsable de l'explosion de centaines de milliers d’étoiles en supernovae, fut probablement l'un des évènements les plus énergétiques de toute l'histoire de la Voie Lactée."

Mais nous verrons plus bas que la Voie Lactée connut plus récemment une activité encore plus spectaculaire suite au réveil de son trou noir supermassif.

Le disque central

Les radiotélescopes millimétriques ont permis de découvrir qu'au centre du noyau de la Voie Lactée se trouve un disque de 8000 années-lumière (2.5 kpc) de diamètre, incliné d'environ 18° sur le plan galactique, confirmant le motif légèrement incliné des bras, gauchissement surtout visible à 21 cm comme expliqué précédemment.

Ce disque central tourne sur lui-même trois fois plus vite que la matière qui l'entoure (130 km/s). Outre des débris de supernovae, il contient des gaz chauds sous pression, de la poussière et des nuages moléculaires. La région comprise dans les 300 pc autour du noyau représente une masse d'environ 108 M, soit environ 5% de la masse moléculaire totale de la Galaxie, concentrée dans 0.04% de sa surface !

La densité surfacique des gaz moléculaires du noyau est extraordinaire. On y trouve des nuages moléculaires CO et CS confinés qui requièrent de fortes densités pour être excités comme ils le sont. La vitesse des nuages déduite du décalage Doppler de leurs raies spectrales est de l'ordre de 15 km/s, plus de 15 fois supérieure à la vitesse du son ! On pense que ces déplacements sont induits par des champs magnétiques très intenses de l'ordre de 130 mG. Par comparaison, il n'est que de 5 mG dans le gaz diffus Local. On a également calculé que la pression du gaz moléculaire est trois fois plus élevée dans le noyau que dans le disque.

Ces champs et cette pression très intenses s'expliqueraient par la température qui est voisine de 10 millions de Kelvin, supérieure à celle qui règne dans le noyau du Soleil et par la densité du milieu (~0.03 à 0.06 proton/cm3) qui correspond à une pression près de 1000 fois supérieure à celle mesurée dans le voisinage du Soleil ! Dans de telles conditions, le gaz émet des rayons X qui pourraient se transformer en "vent galactique" s'il n'est pas confiné dans le champ magnétique.

Malgré cette grande concentration de matière, peu d'étoiles s'y forme, probablement en raison de l'intense dispersion qui se produit au sein des nuages moléculaires. La masse de Jeans de ces nuages atteint 106 M, ce qui signifie qu'une liaison gravitationnelle ne peut se produire qu'au sein de nuages extrêmement massifs, tels Sgr A et Sgr B2.

Des mesures permettent également d'estimer que les nuages de gaz présents dans le noyau de la Voie Lactée se seront diffusés avant leur effondrement. Cette diffusion peut s'étendre sur cent millions d’années[9].

A lire : Hubble observe le coeur de la Voie Lactée en détail (sur le blog, 2009)

A gauche, le centre de la Galaxie observé à 90 cm de longueur d'onde. L'image couvre un champ de 2.5° x 1° ou 1200 x 480 années-lumière. A droite, reptrésentation schématique des différentes composantes dansles 10 pc centraux autour du centre galactique. La zone bleutée représente la région diffuse la plus ionisée comprenant la cavité centrale (CC), le résidu de supernova Sgr A East (SNR) et le halo radio. La zone rouge représente les régions moléculaires les plus denses, comprenant l'anneau circumnucléaire (CNR), le nuage M Sud (SC) ou nuage "20 km/s", le nuage M Est (EC) ou nuage "50 km/s", la crête moléculaire (MR), le courant sud (SS), le courant ouest (WS) et la crête Nord (NR). La position de Sgr A* est indiquée par le signe + au centrale du disque incliné au coeur duquel se trouve le trou noir supermassif..Documents National Research Lab Navy et K.Ferrière.

La région couvrant les 30 pc centraux (100 a.l.) fait preuve d'une activité très exotique. Dans un espace réduit à 0.3° d’arc se trouve cinq sources de rayonnement intense dont l'une est baptisé "Sagittarius A". Elle se divise en deux composantes, Sgr A East et Sgr A West. La première s'étend sur 3' (8 pc) et présente un spectre non thermique vraisemblablement entretenu par le rayonnement des supernovae. Sgr A West est plus petite (2 pc). Au centre de cette structure s'agglomère quelque 5 millions d'étoiles sur 3 années-lumière ! Sa cartographie en infrarouge proche et moyen (2.2 et 10 microns) a permis d'y déceler une vingtaine de sources d'émissions dont certaines éjectent des filaments longs d'une centaine d'années-lumière. Cet environnement est vraiment très suspect et suscita l’intérêt de nombreux chercheurs.

Pendant plus de 20 ans, les astronomes ont étudié la région de Sgr A* située à 25800 années-lumière du système solaire (cf. VERA collaboration et al., 2020) et découvert à leur plus grande surprise des étoiles se déplaçant à 4500 km/s dont certaines sont précédées par un front de choc, des éruptions X et des bouffées de rayons gamma provenant d'étoiles et de nuages de gaz incandescents dont certains étaient de toute évidence attirés par un objet compact et très massif.

Ce n'est qu'en 2012 que les astronomes eurent la preuve que tous ces phénomènes inhabituels et violents étaient provoqués par un trou noir supermassif d'environ 4.3 millions de masses solaires caché au coeur de la Voie Lactée. Pour ne pas surcharger cette description de la Voie Lactée et le sujet méritant d'être exploré en détails, nous lui avons consacré un article : Le trou noir supermassif de la Voie Lactée.

La population de trous noirs stellaires

L'astronome Charles Hailey de l'Université de Columbia et ses collègues ont découvert ce que les chercheurs avaient prédit depuis longtemps, à savoir l'existence d'une population de trous noirs stellaires dans le coeur de la Voie Lactée. Selon les simulations de la friction stellaire galactique, dans un rayon de 1 parsec soit 3.26 a.l. autour de Sgr A*, il pourrait exister jusqu'à 20000 trous noirs stellaires (et 10 millions dans toute la Galaxie). Il s'agit en fait de système binaires X ou XRBs (X-ray binaries) composés de deux astres compacts en orbites serrés autour de leur barycentre commun, un trou noir stellaire et soit une étoile à neutrons soit une étoile naine. Cette région contient également d'autres XRBs sans trou noir.

Après avoir analysé le coeur de la Voie Lactée grâce au satellite Chandra, au terme de 12 années d'études, comme on le voit sur la carte présentée ci-dessous à droite, les chercheurs ont identifié des dizaines de sources rayonnant faiblement en rayons X. Elles se différencient des spectres à haute énergie associés à la population de naines blanches accrétantes qui dominent dans les 8 pc centraux de la Galaxie.

A gauche, illustration d'un trou noir de masse stellaire accrétant la matière d'une étoile. L'interaction chauffe le gaz et génère des rayons X de faible énergie. A droite, carte du parsec central de la Voie Lactée obtenu grâce au satellite Chandra centré sur Sgr A* (cercle vert). Un groupe de 12 trous noirs stellaires membres de systèmes binaires XRBs ont été identifiés (cercles turquoises) ainsi que de nombreuses sources X (cercles rouges), probablement des astres moins massifs (étoiles à neutrons ou naine blanche agencées en systèmes binaires). Il existe certainement des milliers de XRBs plus faibles sous le seuil de détection de Chandra. Documents T.Lombry et C.Hailey et al./CXC (2018).

Après avoir étudié ces systèmes binaires X et écarté ceux composés d'étoiles à neutrons et de naines blanches, les chercheurs ont retenu 12 sources dont les caractéristiques en termes de distribution spatiale et de fonction de luminosité (le nombre d'étoiles par intervalle de luminosité) correspondent à celles de trous noirs stellaires (en turquoise sur la carte ci-dessus à droite). Ces émissions X sont produites par l'interaction des trous noirs avec la matière accrétée des étoiles gravitant autour d'eux. L'annonce de cette découverte fut publiée dans la revue "Nature" en 2018.

On suppose que ces systèmes binaires sont les reliquats de l'activité du disque d'accrétion entourant Sgr A*. Bien que leur origine fasse encore débat, il s'agirait soit de systèmes binaires éjectés par effet gravitationnel soit de systèmes formés suite à la migration et l'attraction d’amas globulaires vers Sgr A*, mais dans tous les cas ces XRBs résultent de captures gravitationnelles, ce que les Anglo-saxons appellent des "tidal captures".

Reste à présent à découvrir les 19988 autres trous noirs stellaires cachés dans cette région car il existe vraisemblablement des milliers d'autres systèmes binaires X sous le seuil détection de Chandra comme l'ont montré Aleksey Generozov et ses collègues dans un article publié en 2018 (en PDF sur arXiv).

Quand la Voie Lactée était un quasar

Les bulles de Fermi

En 2010, le satellite Fermi de la NASA détecta une immense bulle de rayonnement gamma et X s'étendant de part et d'autre du plan de la Voie Lactée sur une distance totale de 39000 années-lumière (12 kpc). Leur base commence à 326 années-lumière de part et d'autre du plan galactique. Leur limite extérieure est très marquée, indiquant que ces deux bulle de plasma furent émises très rapidement. La partie intérieure de ces bulles émet principalement des rayons gamma tandis que l'enveloppe extérieure émet des rayons X.

Ces bulles de Fermi sont beaucoup plus jeunes que la Boucle I de la Ceinture de Gould et ne sont donc pas associées au même phénomène mais rien ne prouve que la source qui a émis ces deux bulles et l'Epéron Polaire n'est pas identique.

Selon une étude déjà citée publié en 2016 par Fabrizio Nicastro du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian et son équipe, ces bulles de Fermi détectéee au sein du halo n'ont pu se former que suite à la libération d'une quantité colossale d'énergie animée d'une vitesse de l'ordre de 1000 km/s qui forma une onde de choc. Seul un trou noir supermassif actif (on pense à Sgr A*) est capable de produire un phénomène d'une telle ampleur et notamment un jet bipolaire s'étendant sur près de 20000 années-lumière (6 kpc) de part et d'autre du pseudo-bulbe.

A gauche, illustration des deux bulles de Fermi centrées sur le trou noir supermassif caché au centre de la Voie Lactée. Au centre, cartographie des bulles de Fermi dans différents rayonnements. A droite, gros-plan sur les cheminées détectées en rayons X éjectant du plasma super chaud depuis une source proche ou qui serait le trou noir supermassif Sgr A*. Documents T.Lombry, J.Bland-Hawthorn et al. (2019) et G.Ponti et al. (2019)

Selon Martin Elvis, coauteur de cette étude, les simulations montrent que le trou noir supermassif de la Voie Lactée aurait été actif il y a seulement 6 millions d'années. Comme par hasard, on a découvert à proximité immédiate du centre galactique de jeunes amas stellaires également âgés de 6 millions d'années. On en déduit que la matière qui fut attirée par ce trou noir a également permis de former ces étoiles. Le trou noir supermassif serait resté actif durant environ 2 millions d'années, un délai tout à fait raisonnable pour une galaxie à noyau actif (AGN), autrement dit un quasar qui se transforma ensuite en galaxie de Seyfert.

Des cheminées de plasma

Après avoir analysé 750 heures d'observations en rayons X effectuées par les télescopes spatiaux XMM-Newton et Chandra, l'équipe de Gabriele Ponti de l'Institut National d'Astrophysique (INAF) d'Italie a découvert deux colonnes de plasma émettant des rayons X émergeant du centre galactique, l'une s'élevant vers le nord, l'autre vers le sud sur 522 années-lumière. Les résultats de leur étude furent publiés dans la revue "Nature" en 2019.

Comme on le voit sur les images présentées ci-dessus au centre et à droite, reportées sur une carte aux rayons X du centre de la Voie lactée, les deux "cheminées" de plasma sont quasi symétriques et semblent provenir du trou noir supermassif Sgr A* bien que la source exacte reste inconnue. Selon Ponti, "les cheminées sont les tuyaux d'échappement reliant l'activité du centre galactique aux bulles de Fermi". Autrement dit, il est possible que ces cheminées alimentent les bulles de Fermi. Mais en avoir la certitude, une étude plus approfondie des cheminées est nécessaire pour déterminer l'origine de ces immenses bulles de plasma.

En résumé, si vous avez bien lu entre les lignes, cela signifie que la Voie Lactée était un quasar à l'époque où nos ancêtres (Orrorin, A.ramidus) foulaient le sol d'Afrique !

Une éruption de type Seyfert

Dans une étude publiée dans l'"Astrophysical Journal" (en PDF sur arXiv) en 2019, l'équipe de Joss Ban-Hawthorn de l'Université de Sydney montra que la Voie Lactée connut une phase éruptive de type Seyfert il y a environ 3.5 millions d'années durant laquelle elle émit au moins 1056-57 erg depuis une région correspondant au trou noir supermassif de Sgr A*.

Les effets de cette éruption colossale furent ressentis jusqu'à 75 kpc soit 244500 années-lumière, laissant leur empreinte dans l'émission de l'hydrogène alpha du Courant Magellanique (Magellanic Stream), cette longue traînée de gaz qui s'étend entre les deux Nuages de Magellan. En effet, les chercheurs ont découvert que les rapports de certaines raies d’absorption UV (en particulier C IV/C II et Si IV/Si II) observés grâce au Télescope Spatial Hubble dans certains nuages du Courant Magellanique dirigés vers les deux pôles galactiques révèlent qu'ils furent fortement ionisés par une source capable de produire des énergies d'ionisation jusqu'au moins 50 eV. À plus de 200000 années-lumière, le cône de rayonnement ionisant était encore suffisamment puissant pour photoioniser des métaux comme le C IV et le Si IV.

A gauche, carte du ciel en projection de Aitoff (le pôle sud galactique est en haut) indiquant l'orientation des cônes d'ionisation déduits de l'étude de l'équipe de J.Bland-Hawthorn. Les points rouges indiquent les émissions Hα tandis que la taille des symboles est proportionnelle à la luminosité de la surface. Les points verts représentent l'intensité du rapport CIV/CII, les points les plus grands indiquant un champ fortement ionisé (s'il y eut photoionisation). L'image optique est superposée à une carte à 21 cm (rose) établie par l'équipe de Nidever en 2008. L'émission radio provient de la cartographie HI à 21 cm des Nuages de Magellan et du Courant Magellanique (STREAM) établie par l'équipe de Kalberla en 2005. Notez que certains Nuages du Courant HI font partie des cônes (indiqués par de petits arcs) présents dans les deux hémisphères. La ligne en pointillé indique l’axe d’un jet radio (et d'éventuels rayons gamma). A droite, quand la Voie Lactée était un quasar, il y a 6 millions d'années. Documents J.Bland-Hawthorn et al. (2019) et Mark Garlick.

Selon les résultats des modélisations, ces nuages d'hydrogène furent pris dans un faisceau de "cônes d'ionisation" bipolaires et radiatifs provenant d'un noyau de Seyfert associé à Sgr A*. Comme on le voit sur l'illustration présentée ci-dessus à gauche, selon les modèles l'axe biconique est incliné d’environ 15° par rapport au pôle sud galactique avec un angle d'ouverture d'environ 60°.

Contrairement au Courant Magellanique, le Bras Principal n'a pas été touché par le cône de rayonnement ionisant de cette éruption de Seyfert du fait qu'il est situé à l'écart du pôle sud galactique.

Dans une étude complémentaire publiée dans l'"Astrophysical Journal" (en PDF sur arXiv) en 2020, Andrew Fox du STScI et ses collègues ont étudié les effets de cette éruption dans 31 lignes de visée et en particulier sur la lumière UV émise par 21 quasars situés au-delà du Courant Magellanique. Ils ont quantifié l'ampleur du champ ionisé dans les nuages de gaz du Courant Magellanique par le cône de rayonnement à l'équivalent de 100 millions de masses solaires d'hydrogène (cela représente à peine 1/8000e de la masse de la Voie Lactée).

A gauche, il y a 3.5 millions d'années, lorsque le trou noir supermassif de la Voie Lactée était actif et émettait un jet en même temps que les bulles de Fermi, ses émissions ont ionisé tout l'espace dans un cône de 60° et de 244500 a.l. de rayon, notamment l'hydrogène du Courant Magellanique dont on trouve encore la trace aujourd'hui. A droite, illustration artistique de l'éruption de Seyfert d'ampleur cosmique qui secoua le centre de la Voie Lactée il y a 3.5 millions d'années. Nos lointains ancêtres hominidés furent peut-être les témoins de cet évènement. Documents NASA/ESA et L.Hustak/STScI adapté par l'auteur et NASA/ESA/G.Cecil/UNC, J.DePasquale/STScI.

Les chercheurs ont également confirmé l'augmentation de l'intensité du rayonnement Hα dans le Courant Magellanique découvert en 2003 ainsi que des mesures ultérieures obtenues en 2013 et 2017 montrant l'existence d'émissions de ~500 milli-Rayleighs (l'unité d'intensité lumineuse CGS remplacée depuis par le candela) en dessous du pôle sud galactique alors qu'elles ne dépassent pas 50 à 100 milli-Rayleighs en dehors du cône d'ionisation. Malgré une interprétation rendue difficile par la distance inconnue des nuages de gaz, selon les chercheurs "Il s'agit d'une fluorescence induite par l'éruption de Seyfert du noyau galactique. Dans ce scénario, le Courant Magellanique agit comme un écran sur lequel se produit la fluorescence induite par l'AGN".

Selon Fox, "Le flash était si puissant qu'il éclaira le Courant comme un arbre de Noël - c'était un évènement cataclysmique ! Cela nous montre que différentes régions de la Galaxie sont liées - ce qui se passe dans le centre galactique modifie ce qui se passe dans le Courant Magellanique. Nous apprenons comment le trou noir affecte la Galaxie et son environnement".

La Voie Lactée contient un noyau LINER

Depuis les années '80 (cf. Filippenko & Halpern, 1984), des indices astrophysiques suggèrent que le coeur des galaxies comme celui de la Voie Lactée se comportent comme un LINER (Low Ionization (Nuclear) Emission Regions), c'est-à-dire que le noyau galactique affiche des raies d'émissions produites par des nuages de gaz très denses ionisés dont l'origine est encore inconnue (cf. T.M. Heckman, 1980).

Les galaxies de type LINER représentent environ un tiers de toutes les galaxies (75% des LINERs sont des galaxies elliptiques ou lenticulaires). Leur coeur émet plus de rayonnement que les galaxies qui ne forment que de nouvelles étoiles, mais moins de rayonnement que celles abritant un trou noir supermassif qui consomme une énorme quantité de matière. Deux théories peuvent donc expliquer les émissions ionisées des LINERs : soit la source est une région de formation stellaire riche en étoiles O (cf. A.V. Filippenko et al., 1997; J.C. Shields, 1992; Terlevich & Melnick, 1985) mais les galaxies elliptiques en contiennent peu, soit il s'agit d'un trou noir supermassif.

A ce jour, la source de rayonnement des LINERs reste un mystère. Mais une découverte vient apporter un peu de lumière sur ce concept.

Modélisation du disque incliné composé de gaz neutre percé en son centre et à travers lequel le coeur de la Voie Lactée émet un important flux d'hydrogène ionisé. Document UWMad.

Dans un article publié dans la revue "Science Advances" en 2020, l'astrophysicien Dhanesh Krishnarao de l'Université du Wisconsin à Madison et ses collègues ont annoncé que le centre de la Voie Lactée présente des niveaux de rayonnement galactique caractéristiques d'une galaxie de type LINER.

Le noyau de la Voie Lactée est noyé dans de l'hydrogène ionisé de sorte qu'il est très énergétique. Mais sans source d'énergie pour l'alimenter, les ions finissent par revenir à un état neutre et reforment des atomes stables assez rapidement. Le fait que le gaz reste ionisé incita les astrophysiciens à chercher les types de sources qui pourraient être responsables de ce flot constant d'énergie.

Pour déterminer la quantité d'énergie ou de rayonnement au centre de la Voie Lactée, qu'il est difficile à pénétrer en optique, généralement les chercheurs utilisent des observatoires orbitaux fonctionnant dans l'infrarouge ou des radiotélescopes. Cette fois, ils ont utilisé le télescope optique Wisconsin H-Alpha Mapper (WHAM) installé depuis 2009 à Cerro Tololo au Chili. Cet instrument spécialisé est dédié à l'étude du milieu interstellaire chaud ionisé et utilise un spectromètre de Fabry-Perot. A l'inverse d'un filtre interférentiel à bande étroite limité à une seule raie spectrale, selon la configuration du spectromètre, on peut utiliser différentes raies spectrales. Dans ce cas ci, l'instrument est optimisé pour l'Hα.

Après avoir analysé 20 années de données galactiques, les chercheurs ont découvert à quel point l'énergie imprègne le centre de la Voie Lactée.

Comme illustré à droite, le coeur de la Galaxie comprend un disque incliné de gaz neutre d'environ 4900 années-lumière (1.5 kpc) qui couvre environ 20° galactiques dont une partie s'étend sur quelques degrés en dessous du plan galactique. C'est une source intense de raies d'émissions. 

Le fait d'observer ce disque en optique a permis aux chercheurs de comparer beaucoup plus facilement le noyau de la Voie Lactée avec celui d'autres galaxies spirales. En effet, comprendre l'origine de ce rayonnement pourrait aider à expliquer non seulement la nature de la Voie Lactée, mais également des innombrables galaxies qui lui ressemblent. Selon Matthew Haffner, coauteur de cette étude et qui participa à une étude sur les "Bulles de Fermi" en optique, "De nombreuses études antérieures ont mesuré la quantité et la qualité du gaz ionisé provenant des coeurs de milliers de galaxies spirales à travers l'univers. Pour la première fois, nous avons pu comparer directement les mesures de notre Galaxie à cette grande population".

Ce disque incliné comprend un trou en son centre à travers lequel émerge un important flux d'hydrogène ionisé. Pour expliquer cette stucture, les chercheurs ont d'abord utilisé un modèle existant datant des années 1980 mais qui ne tenait compte que du gaz neutre. Krishnarao a d'abord affiné ce modèle pour qu'il tienne également compte du gaz ionisé et prédise plus précisément la quantité de gaz ionisé qui devrait se trouver dans la région émettrice.

Les données brutes du télescope WHAM permirent aux chercheurs d'affiner ce modèle et d'obtenir une image tridimensionnelle plus précise du disque incliné. La comparaison avec les images obtenues dans d'autres raies spectrales, en particulier les raies interdites [NII], [SII] et [OIII] donna aux chercheurs d'autres indices sur sa composition et ses propriétés.

A voir : Study reveals radiation at center of Milky Way, UWMad

Grâce au télescope WHAM, des chercheurs ont pu mesurer l'émission de l'hydrogène dans une région en forme de disque inclinée située au coeur de la Voie Lactée (à gauche, surlignée en rouge). A droite, la cartographie de la vitesse intégrée des émissions HI à 21 cm et des vitesses des raies interdites du coeur de la Voie Lactée montrant la distribution inclinée du gaz. Les contours de Hα intégrés sur la même plage de vitesse montrent la présence d'une contrepartie ionisée au gaz neutre. Les contours bleu-blanc et rouge-blanc montrent l'émission prédite par le modèle. La ligne violette montre le contour projeté de la bulle de Fermi extrapolée au centre galactique. Les cercles et les flèches en pointillés indiquent l'emplacement de deux faisceaux WHAM de 1° et leurs spectres de raies d'émission optique correspondants pour Hα, Hβ, [NII], [SII] et [OIII]. Notons que l'émission lumineuse autour de vLSR = 0 km/s provient de l'émission locale dans le voisinage du Soleil. Documents WHAM/Alex Mellinger et D. Krishnarao et al. (2020).

Les chercheurs ont découvert une anomalie dans la dynamique du disque incliné. Comme on le voit dans les graphiques présentés ci-dessus à droite, une partie de la structure de gaz ionisé se déplace vers la Terre alors que cela n'aurait pas dû être possible en vertu de la rotation galactique car elle se trouve sur une orbite elliptique à l'intérieur des bras internes de la Voie Lactée. Grâce à sa représentation en 3D, les chercheurs ont compris que le disque incliné se trouve sur une orbite dirigée vers la Terre en raison de la rotation elliptique de la barre nucléaire de la Voie Lactée.

De plus, cette structure change de propriétés à mesure qu'on s'éloigne du centre de la Voie Lactée. Selon Krishnarao, "Cela nous dit que ce qui se passe dans le coeur même de notre Galaxie, très près du trou noir supermassif, est différent de ce qui se passe un peu plus loin".

Du fait que cette structure gazeuse s'est éloignée des nuages ​​de poussière les plus denses, elle offre aux astronomes l'opportunité de voir plus loin vers le centre galactique que ce qui est normalement possible. Ils ont ainsi pu mesurer la quantité de gaz ionisé et estimer la quantité de rayonnement présente dans le coeur de la Voie Lactée.

Selon les chercheurs, au moins 48% de l'hydrogène gazeux contenu dans le disque incliné a été ionisé par une source inconnue. Dans la plupart des lignes de visée, la proportion [NII] / Hα augmente de 0.3 à 2.5 dans le disque, et on détecte également les raies interdites [OIII] et Hβ typique d'un état métastable dans un milieu raréfié (cf. le milieu interstellaire).

Auparavant, les astronomes n'avaient identifié que du gaz neutre dans cette région. Selon Krishnarao, "Près du noyau de la Voie Lactée, le gaz est ionisé par les étoiles nouvellement formées, mais lorsque vous vous éloignez du centre, les choses deviennent plus extrêmes et le gaz devient similaire à une classe de galaxies appelées LINER".

Selon Haffner, "Avant cette découverte par WHAM, la galaxie d'Andromède était la LINER spirale la plus proche de nous. Mais elle se situe à des millions d'années-lumière. Avec le noyau de la Voie Lactée à seulement des dizaines de milliers d'années-lumière, nous pouvons maintenant étudier plus en détail une région LINER. L'étude de ce gaz ionisé étendu devrait nous aider à en savoir plus sur l'environnement actuel et passé du centre de notre Galaxie".

Maintenant que l'on sait que la Voie Lactée est une LINER, elle offre l'opportunité d'observer de près les sources de rayonnement pour essayer de déterminer exactement ce qui crée toute cette énergie. A présent, l'équipe de Krishnarao tente de savoir si les autres galaxies spirales barrées sont sujettes à être des LINER, et ce qui pourrait expliquer cette association.

Pour connaître la réponse, les chercheurs attendent avec impatience la construction du successeur de WHAM prévue d'ici quelques années. Actuellement, la résolution du système affiche des pixels élémentaires équivalant à deux fois le diamètre apparent de la Lune. Seul un upgrade permettra d'obtenir des images plus détaillées du gaz situé au centre de la Voie Lactée. Les chercheurs pourront alors plus facilement caractériser la source d'énergie et savoir quel type d'objet illumine notre Galaxie.

Les galaxies satellites de la Voie Lactée

Si on relit les anciennes publications, jusqu'au milieu du XXe siècle on constate que les astronomes ne connaissaient que deux galaxies satellites de la Voie Lactée, les deux Nuages de Magellan (LMC et SMC). Grâce à de grands sondages comme le SDSS qui travaille en optique et en proche infrarouge grâce à APOGEE ainsi qu'aux progrès réalisés en imagerie numérique, aujourd'hui les astronomes ont répertorié plus de 35 galaxies naines satellisées autour de la Voie Lactée dont Bedin 1 découverte en 2019, Antlia 2 et Hydrus 1 découvertes en 2018 et Crater 2 découverte en 2016, sans parler des queues de marée qui les relient parfois et les restes de galaxies qu'elle absorba.

Selon une étude publiée dans l'"Astrophysical Journal" (en PDF sur arXiv) en 2020 par Ethan O. Nadler de l'Université de Stanford et ses collègues, sur base des données de Gaia et de simulations tenant compte du modèle ΛCDM (le halo de matière sombre et froide qui entoure les galaxies), la Voie Lactée pourrait abriter environ 150 galaxies satellites supplémentaires qui restent à découvrir.

A gauche, la Voie Lactée et les deux Nuages de Magellan s'élevant au-dessus de l'observatoire de l'ESO à Cerro Paranal, au Chili. On distingue à l'avant-plan l'un des quatre télescopes auxiliaires de 1.80 m du réseau VLTI. A droite, l'étoile Régulus, alpha Leonis, sous laquelle on distingue la petite galaxie naine Leo I découverte en 1950 en même temps que Leo II. Documents ESO/Yuri Beletsky et Chris Cook.

Aujourd'hui la Voie Lactée est principalement en interaction avec les deux Nuages de Magellan, lesquels projettent deux immenses appendices en direction de la Voie Lactée dénommés le courant Magellanique (Magellanic stream) et le bras principal (Leading arm). La petite galaxie naine elliptique SagDEG découverte en 1994 a également lancé un bras ou queue de marée autour de la Voie Lactée tandis que SagDIG est devenue une galaxie naine irrégulière.

Nous reviendrons sur cet ensemble de galaxies lorsque nous décrirons le Groupe Local qui rassemble les galaxies proches de la Voie Lactée. L'article consacré aux découvertes récentes décrit également certaines galaxies proches et restes "fossiles" découverts ces dernières décennies.

Venons-en à présent au dernier chapitre de cette revue de la Voie Lactée, celui concernant sa formation et l'origine de ses différentes composantes.

Dernier chapitre

Formation de la Voie Lactée

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[9] M.Morris, IAU Symposium no 136, "The Center of the Galaxy", eds M.Morris, Kluwer, 1989.


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