Cette archéologue galactique qui fouille dans l’histoire ancienne de la Voie Lactée<!-- --> | Atlantico.fr
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Photo prise le 6 août 2010 de l'observatoire du Pic du Midi, de la Voie lactée.
Photo prise le 6 août 2010 de l'observatoire du Pic du Midi, de la Voie lactée.
©REMY GABALDA / AFP

Mystères célestes

Les astrophysiciens disposent désormais des données et des modèles nécessaires pour découvrir de subtiles empreintes du passé de notre galaxie.

Ramin Skibba

Ramin Skibba

Ramin Skibba est un astrophysicien devenu écrivain scientifique et journaliste indépendant basé à San Diego. Il écrit pour des magazines, des journaux et des sites d'information en ligne, notamment The Atlantic, Washington Post, National Geographic, Newsweek, Slate, Nature, Wired, Undark, Scientific American, Science, Smithsonian, Aeon, New Scientist, Quanta, FiveThirtyEight, The Hill, San Jose Mercury News et San Francisco Chronicle.

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Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Dans le ciel nocturne, la bande de lumière de la Voie lactée fait ressembler notre galaxie à un amas d'étoiles et de nuages de gaz. Mais aujourd'hui, les scientifiques connaissent sa forme et sa structure en détail : les bras spiraux qui s'enroulent autour du centre de la galaxie, son renflement central rempli d'étoiles et d'un trou noir gargantuesque, et son halo d'étoiles plus ténu et cotonneux plus loin, comme si notre galaxie était enveloppée dans une boule de coton stellaire. Ils savent également qu'un nuage de matière noire encore plus diffus s'étend encore plus loin, révélé par le mouvement des étoiles.

Comment la Voie lactée a-t-elle pu prendre cette apparence ?

Il y a dix ans à peine, les scientifiques ne connaissaient le mouvement et la distance d'un petit nombre d'étoiles de notre voisinage galactique, et n'avaient donc qu'une image partielle de la structure évolutive de la Voie lactée. Mais les derniers télescopes, dont le télescope Gaia de l'Agence spatiale européenne lancé en 2013, ont considérablement élargi notre champ de vision à la majeure partie de la galaxie. Leurs données révèlent des amas et des courants d'étoiles lointains qui, tels des fossiles, offrent des indices sur l'histoire complexe de la galaxie.

Amina Helmi, de l'Institut astronomique Kapteyn de Groningue, aux Pays-Bas, est une archéologue galactique de premier plan qui étudie ces vestiges d'événements passés, y compris le plus important d'entre eux : un impact massif au ralenti avec une autre galaxie, survenu il y a quelque 10 milliards d'années, dans la jeunesse de la Voie lactée.

Dans la revue annuelle d'astronomie et d'astrophysique, Mme. Helmi affirme que le disque, le halo et les volutes d'étoiles de notre galaxie portent la trace de cette collision galactique et d'autres événements anciens. Pourtant, malgré ce tumulte passé, le passé de la Voie lactée est relativement paisible, note Helmi - elle s'est assemblée principalement en donnant naissance à de nouvelles étoiles à partir de gaz refroidis et d'étoiles plus anciennes, plutôt qu'en entraînant d'autres galaxies dans sa gueule.

Mais même cette histoire relativement calme laisse de nombreux vestiges qu'Helmi et ses collègues doivent passer au crible, notamment des indices sur la composition chimique des étoiles, puisque chaque génération d'étoiles possède de nouvelles signatures chimiques qui tendent vers des éléments plus lourds que les étoiles qui les ont précédées.

Helmi s'est entretenue avec Knowable Magazine au sujet de ses recherches sur l'histoire unique de la Voie lactée. Cette conversation a été modifiée pour des raisons de longueur et de clarté.

Que signifie "archéologie galactique" pour vous ?

Ce que nous essayons de faire avec l'archéologie galactique, c'est de reconstituer l'histoire, la séquence d'événements qui a conduit à la formation de la Voie lactée. En archéologie, on utilise les restes, les vestiges ou les artefacts de différentes civilisations ou événements. Dans ce cas, les restes sont des étoiles, et nous utilisons les étoiles pour essayer de comprendre comment la Voie lactée s'est constituée. Les étoiles se souviennent d'où elles viennent, elles ont la mémoire de leurs origines.

Comment les étoiles de notre galaxie nous renseignent-elles sur le passé de la Voie lactée ?

La façon dont elles bougent, leur âge et leur composition chimique nous renseignent sur leur lieu de naissance. Si vous trouvez des groupes d'étoiles aux compositions chimiques distinctes, par exemple avec des quantités relatives différentes d'oxygène, de magnésium et de fer, cela peut vous indiquer qu'elles proviennent d'environnements différents - puisque les étoiles nées dans le même nuage ont forcément les mêmes empreintes chimiques. De même, si vous trouvez des groupes d'étoiles qui se déplacent ensemble dans l'espace, cela vous indique qu'elles ont une trajectoire similaire et qu'elles viennent donc du même endroit. Vous pouvez vous en servir pour reconstituer leur lieu de naissance.

Comment avez-vous découvert, avec vos collègues, que la Voie lactée a eu un impact massif avec une autre galaxie lorsqu'elle était jeune ? Pouvez-vous expliquer comment cette preuve est apparue ?

Tout d'abord, nous avons constaté que, près du soleil, environ la moitié des étoiles de ce que nous appelons le halo - qui abrite les très vieilles étoiles de la Voie lactée - tournaient dans le sens opposé à la grande majorité des étoiles de la Voie lactée, l'autre moitié appartenant à une composante très bouffie, semblable à un disque. C'était donc suspect. Cela pourrait signifier que le halo a été formé par une fusion avec une autre galaxie. Mais ce n'était pas une preuve suffisante, car il existe peut-être d'autres moyens de produire ce type d'étoiles.

Nous avons ensuite examiné l'âge et la composition chimique de ces étoiles de halo contrarotatives et avons constaté qu'elles suivaient une trajectoire différente de celle de la grande majorité des étoiles de la Voie lactée. La composition chimique de ces étoiles de halo indique qu'elles sont nées dans un système différent, plus petit.

Y avait-il quelque chose de surprenant dans cet impact vieux de 10 milliards d'années avec une galaxie plus petite, que vous avez baptisé Gaia-Enceladus ?

Les prédictions des modèles de l'univers en expansion, fondées sur ce que nous savons de la gravité et de la matière noire, indiquent qu'il faut s'attendre à deux à quatre fusions différentes avec des objets relativement massifs, plus de nombreuses fusions plus petites, pour aboutir à une galaxie de la taille de la Voie lactée aujourd'hui. Pour nous, il a donc été surprenant de constater que le halo est dominé par un seul objet.
Nous avons découvert que cet événement a tellement perturbé la Voie lactée que de nombreuses étoiles présentes à l'époque se sont retrouvées dans le disque épais gonflé, ou chaud. Mes collègues ont ensuite montré que le disque épais, qui contient environ un cinquième des étoiles de la galaxie, s'est probablement formé lors de cet événement. En effet, dans le passé, les galaxies étaient probablement riches en gaz, de sorte qu'une fusion massive de ce type rapprochait les nuages de gaz, créant ainsi des régions à haute densité qui déclenchent la formation de nombreuses étoiles. Et nous constatons que la formation d'étoiles a atteint un pic au même moment que la fusion, faisant croître considérablement le disque de la Voie lactée.
Cet événement a donc constitué une étape majeure dans l'histoire galactique.

Comment l'histoire de la Voie Lactée se compare-t-elle à celle de ses pairs ?

Il est difficile de déterminer ce genre de choses pour d'autres galaxies plus lointaines, car nous ne disposons pas d'autant d'informations détaillées sur elles et leurs étoiles. Cependant, de plus en plus d'études recherchent des courants et des sous-structures dans d'autres galaxies, et nous apprenons l'importance du processus de fusion en général. Et il existe des études sur la fréquence des paires de galaxies en interaction, qui permettent d'identifier les objets qui sont en train ou sur le point de fusionner. Les modèles théoriques de la croissance des galaxies dans l'univers en expansion nous indiquent également où chercher, ou comment identifier, les indices de l'histoire de la fusion d'une galaxie.

Certains astronomes affirment que la Voie lactée semble être calme par rapport aux autres galaxies, puisque les modèles ont tendance à prédire un plus grand nombre de fusions, en moyenne, mais je pense qu'une évaluation plus détaillée est nécessaire pour établir ce fait avec certitude.

C'est notamment parce que nous n'avons reconstitué l'histoire que jusqu'à il y a 10 milliards d'années, et que nous ne savons pas ce qui s'est passé avant. Nous avons besoin de plus de données sur un nombre beaucoup plus important d'étoiles moins lumineuses - en particulier sur leur composition chimique, qui n'est connue que pour un très petit nombre d'étoiles du halo de la Voie lactée - pour y voir clair.

Quel rôle la matière noire a-t-elle joué dans vos recherches sur l'histoire de la Voie lactée ?

Je pense qu'il faut toujours tenir compte de la présence de matière noire autour de ces galaxies, y compris autour de la Voie lactée. S'il y a une fusion, la matière noire fait en sorte que la fusion se produise plus rapidement, car la masse de la matière noire est beaucoup plus importante que celle des étoiles seules.
Pour l'instant, nous n'avons pas encore utilisé les informations que nous avons recueillies récemment sur l'histoire ancienne des fusions de la Voie lactée pour essayer d'estimer la quantité de matière noire présente à l'intérieur et autour d'elle ou sa répartition, mais nous le ferons dans un avenir proche. Par exemple, si vous êtes convaincu que certaines étoiles proviennent du même objet et qu'elles sont situées dans différentes régions de la galaxie, cela peut servir à calculer la force gravitationnelle de la Voie lactée et la répartition de la matière noire dans celle-ci.

Qu'avez-vous appris du télescope spatial Gaia qui n'était pas connu auparavant ?

Mesurer les mouvements des étoiles dans le ciel est extrêmement difficile. Avant Gaia, nous avions les mesures d'environ 2 millions d'étoiles proches, grâce à une mission appelée Hipparcos dans les années 90. Aujourd'hui, il s'agit de 2 milliards. Ensuite, il y a le volume : Le volume de l'espace dans lequel nous pouvons mesurer les mouvements est un facteur 100 en rayon plus grand maintenant. Et il est plus précis d'un facteur 1 000. Il s'agit d'une énorme quantité de données de très haute qualité.

C'est une véritable transformation. Cette recherche n'aurait pas été possible sans Gaia. Elle a changé la façon dont nous comprenons la Voie lactée. Par exemple, nous avons également réalisé que nous ne pouvons pas considérer la Voie lactée comme un système isolé. Les gens avaient l'habitude de considérer les galaxies comme des "univers insulaires", séparés de l'environnement qui les entoure. Cela constitue un changement important dans la façon dont nous abordons le problème de la détermination de la distribution de la masse dans la galaxie. Dans le passé, on supposait souvent que la galaxie était en équilibre et ne changeait pas vraiment. Aujourd'hui, les données nous montrent que c'est une simplification excessive, car les mouvements des étoiles près du soleil révèlent les empreintes de l'attraction des galaxies voisines, qui sont elles-mêmes attirées par la Voie lactée.

Quels types d'outils attendez-vous, notamment concernant les nouveaux télescopes et les nouvelles simulations ?

Nous avons définitivement besoin de la chimie, car les quantités relatives des différents éléments chimiques dans les étoiles nous disent d'où elles viennent et nous aident à évaluer leur âge. Il existe plusieurs enquêtes prévues qui verront bientôt le jour et qui mesureront les abondances chimiques de centaines de milliers d'étoiles, notamment dans le halo de la Voie lactée. Il s'agit de spectrographes multi-objets qui mesurent la lumière de nombreux objets à la fois dans de nombreuses longueurs d'onde, y compris dans les plages dans lesquelles les atomes clés de divers éléments chimiques émettent.

Par exemple, il y en a un à La Palma, dans les îles Canaries, appelé WEAVE, qui explorera le ciel septentrional, et un appelé 4MOST à l'Observatoire de Paranal, au Chili, qui étudiera le ciel austral. Une vue complète de la Voie lactée est nécessaire si l'on veut comprendre comment elle s'est formée.
Nous avons également besoin de simulations de galaxies plus sophistiquées, qui ne se limitent pas à la gravité et à la matière noire. Nous avons interprété nos résultats concernant Gaia-Enceladus à l'aide d'une simulation vieille de dix ans qui n'incluait ni gaz ni formation d'étoiles, mais ce n'est pas réaliste. 

Nous devons essayer de comprendre ce qui se passe lorsque l'on ajoute du gaz aux simulations et suivre l'évolution de la formation d'étoiles et aussi des éléments chimiques, ce qui nous donnera une image plus complète et plus réaliste de l'histoire de la galaxie. Nous devons également essayer de comprendre si cette grande fusion a également eu un impact sur les propriétés d'autres composants de la Voie lactée, comme le bulbe central.

Sur la base des observations et des modèles, pouvez-vous faire des prédictions sur l'avenir de la Voie lactée au cours des prochains milliards d'années ?

Dans quelques milliards d'années, la Voie lactée fusionnera avec le Grand et le Petit Nuage de Magellan. Environ un milliard d'années après cela, la galaxie fusionnera également avec Andromède. Cela va être un changement majeur pour la Voie Lactée. Il s'agit d'un objet qui a pratiquement la même masse, et lorsque deux galaxies de même masse fusionnent, on obtient généralement une galaxie elliptique, une structure plus ronde sans disque ni bras en spirale. Et comme il est probable que les deux galaxies aient encore beaucoup de gaz à ce moment-là, il y aura beaucoup de formation d'étoiles. Donc le ciel va avoir un aspect complètement différent.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.

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