En combinant les données astrométriques du satellite Gaia de l’ESA et les données astrochimiques du télescope au sol chinois Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope (Lamost), une équipe d’astronomes vient de préciser la chronologie de la Voie lactée qui serait différente de celle que l’on pensait. Le communiqué de l’ESA accompagnant ce résultat précise qu’il implique qu’une partie de notre Galaxie est plus âgée qu’on le croyait.

Au sortir du Big Bang, plus précisément après l’émission du rayonnement fossile, le cosmos observable contient des atomes d’hydrogène et d’hélium, plusieurs de leurs isotopes et un peu de lithium mais aucune trace d’éléments plus lourds comme l’azote, le carbone et l’oxygène. Les premières étoiles qui vont se former et faire sortir à terme l’Univers des âges sombres peuvent donc à une excellente approximation être considérées comme ne contenant pas de métaux et avec une métallicité nulle comme disent les astrophysiciens dans leur langage, c’est-à-dire dépourvues d’éléments plus lourds que l’hélium.

Selon le modèle cosmologique standard, il doit d’abord se former de petites galaxies qui vont fusionner pour donner des grandes galaxies qui vont rapidement grandir en accrétant du gaz canalisé par des filaments de matière noire froide pour l’essentiel selon le nouveau paradigme de l’évolution des galaxies qui fait jouer un rôle fondamental à ces filaments et secondaire seulement à toutes les fusions de galaxies, contrairement à ce que l’on pensait encore il y a plus d’une décennie.

On pense toujours, toutefois, que pour l’essentiel une galaxie spirale se forme initialement un peu comme un disque protoplanétaire avec un nuage de matière en rotation qui s’effondre gravitationnellement. La force centrifuge s’opposant à cette contraction perpendiculairement à l’axe de rotation, le nuage initial s’aplatit.

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Une galaxie dont la chimie évolue
La théorie de la structure et de l’évolution stellaire démontre que les étoiles évoluent d’autant plus vite qu’elles sont massives. Au-delà de 8 masses solaires, elles exploseront en supernovae après avoir synthétisé des noyaux lourds allant jusqu’au fer, enrichissant un milieu interstellaire dans les galaxies où naîtront de nouvelles étoiles. Il existe donc une évolution chimique des étoiles et des galaxies qui permet de faire des datations. Ainsi, une naine rouge, pauvre en éléments métalliques au-delà du lithium, indiquera une étoile née il y a plus de 10 milliards d’années alors qu’une naine jaune comme notre Soleil, plus riche en éléments lourds, sera plus jeune de quelques milliards d’années.

La théorie de l’évolution stellaire prédit aussi que la taille et la luminosité d’une étoile vont varier avec son âge pour une masse donnée. Ainsi, certaines étoiles vont voir la fusion thermonucléaire en éléments plus lourds des noyaux dans leur cœur s’arrêter alors qu’elle va continuer dans une enveloppe autour de ce cœur pendant que l’étoile est dans une phase courte, dite de sous-géante rouge, avant de devenir finalement une géante rouge.

Bref, en analysant la composition chimique et la brillance d’une étoile on peut dater son âge et c’est ce que des astrophysiciens ont entrepris de faire avec précision pour environ 250.000 étoiles dans la Voie lactée avec l’aide du Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope (c’est-à-dire Télescope spectroscopique multi-objets à fibres optiques grand champ, en abrégé Lamost) – un télescope optique chinois de quatre mètres de diamètre.

Maosheng Xiang et Hans-Walter Rix, de l’Institut Max-Planck d’astronomie à Heidelberg, en Allemagne, ont combiné avec leurs collègues les données de Lamost avec les données de luminosité et de position de ces mêmes étoiles dans l’ensemble de l’Early Data Release 3 (EDR3) du satellite Gaia de l’ESA dédié à l’astrométrie. Les résultats de cette combinaison viennent d’être publiés dans le célèbre journal Nature.

Une archéologie galactique lisible dans des strates d’étoiles
Les données astrométriques de Gaia concernent des mesures fines des positions et des vitesses d’environ 1,5 milliard d’étoiles dans la Voie lactée. Les dernières ont été publiées en décembre 2020 et Lamost a fourni celles de 9 millions d’étoiles en 2021. Seule une partie de ces étoiles étaient en phase sous-géante rouge, les 250.000 étudiées avec Lamost, mais au final la structure et la datation du halo et du disque de la Voie lactée ont été précisées.

La structure de ce dernier est double. Il y a d’abord un disque mince et dense dont l’épaisseur est d’environ 2.000 années-lumière et où se trouvent les bras de notre Galaxie, là où naissent principalement aujourd’hui les étoiles. Il est lui-même plongé dans un disque plus diffus dont l’épaisseur est d’environ 6.000 années-lumière.

Le disque mince contient la plupart des étoiles que nous voyons sous la forme de la bande de lumière brumeuse dans le ciel nocturne que nous appelons la Voie lactée. Le disque épais est plus du triple de la hauteur du disque mince mais de rayon plus petit, ne contenant que quelques pourcents des étoiles de la Voie lactée dans le voisinage solaire.

Le halo stellaire est, lui, constitué d’une population presque sphérique d’étoiles et d’amas globulaires entourant la Voie lactée. Les étoiles y sont vieilles avec une faible métallicité, tout comme dans le cas du bulbe central de la Voie lactée. On n’y trouve pas de poussière contrairement au disque. Ce halo lui-même est plongé dans un halo de plasma chaud, qui à son tour devrait être enveloppé par un halo de particules de matière noire selon le modèle cosmologique standard.

Une chronologie galactique différente
Il apparaît maintenant, et c’est la surprise selon un communiqué de l’ESA, qu’il y aurait eu deux phases importantes distinctes dans l’histoire de la Voie lactée.

Dans la première phase, commençant juste 0,8 milliard d’années après le Big Bang et donc il y a environ 13 milliards d’années, le disque épais est déjà là contrairement à ce que l’on pensait et il commence à s’y former des étoiles. Mais environ 2 milliards d’années plus tard, après une accélération du taux de formation stellaire, un important pic se produit et on l’explique par la fusion entre la jeune Voie lactée et une galaxie naine, galaxie baptisée Gaia-Encelade. Ce nom vient de la mythologie grecque : Encelade, l’un des Géants, fils de Gaïa (la Terre) et d’Ouranos (le Ciel), lors de la Gigantomachie, fut mis hors de combat par Athéna et enterré sous le mont Etna, provoquant depuis séismes et éruptions.

Cette fusion a certainement été comparable à une masse lancée et percutant une mare, dans le fluide d’étoiles autogravitant de notre Galaxie, et on pensait que c’était elle qui avait, en quelque sorte, « chauffé » le gaz d’étoiles du disque mince, le forçant à s’évaporer et à se dilater pour former le disque épais.

C’est à ce moment-là aussi que le halo stellaire se serait formé par la même occasion et pour la même raison.

Mais, dans le scénario proposé maintenant, ce n’est qu’après cette fusion que le disque mince serait né et la formation stellaire dans le disque épais aurait continué jusqu’à ce que son contenu en gaz soit largement épuisé environ 6 milliards d’années après le Big Bang. Pendant ce temps, la métallicité du disque épais aurait augmenté de plus d’un facteur 10.

En bonus, les astrophysiciens ont déterminé que la métallicité dans ce disque était relativement uniforme, ce qui implique que des processus de brassage turbulent ont assuré un transport et un mélange efficace des éléments nouvellement formés et libérés dans le milieu interstellaire par des explosions de supernovae.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-partie-voie-lactee-formee-beaucoup-plus-tot-quon-ne-pensait-97545/