L'archéologie galactique révèle le passé de la Voie lactée, notamment ses collisions. Image obtenue par le télescope spatial Hubble montrant les galaxies NGC 2207 et IC 2163 en interaction gravitationnelle. © Nasa

Sciences

Voie lactée : Gaia révèle une collision géante avec une autre galaxie il y a 10 milliards d'années

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La révolution apportée par les données astrométriques de la mission Gaia de l'ESA se déroule sous nos yeux. La composition chimique et les orbites de dizaines de milliers d'étoiles suggèrent que la jeune et petite Voie lactée serait entrée en collision avec une autre galaxie baptisée Gaia-Encelade il y a 10 milliards d'années. Les deux astres auraient alors fusionné.

Les collisions de galaxies dans l’univers  Les collisions de galaxies ne sont pas rares dans l’univers. C’est même l’un des processus de croissance des galaxies. Ainsi, dans quelques milliards d’années, la Voie lactée entrera en collision avec celle d’Andromède. Cette vidéo provient du projet Du Big Bang au vivant, qui regroupe une dizaine de scientifiques. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com 

La structure tectonique des roches et de leurs strates, ainsi que leur composition chimique et parfois leur mémoire magnétique, nous permettent de reconstituer l'histoire de la formation et de la dérive des continents sur des centaines de millions d'années. De même, les trajectoires et orbites des étoiles dans la Galaxie ainsi que leur contenu en éléments plus lourds que l'hydrogène, l'hélium et leurs isotopes, devaient permettre de faire de l'archéologie galactique.

Les astronomes étaient convaincus qu'ils pouvaient de cette façon reconstituer l'histoire de notre Voie lactée, qui, comme le montrent les images des collisions de galaxies, a dû être marquée par des événements violents. Cette histoire doit se refléter dans la structure et la composition de la Galaxie, elles sont laissées par les interactions gravitationnelles rapprochées entre les galaxies, dans le passé,  ainsi que par les fusions galactiques injectant des populations d'étoiles dont la composition chimique garde la trace d'une évolution dans des contextes différents.

Encore fallait-il pour cela disposer de données suffisamment précises concernant les positions et les vitesses d'un grand nombre d'étoiles dans la Voie lactée, ainsi que sur leurs abondances en divers éléments. Les archéologues galactiques se sont donc dotés des instruments nécessaires pour la réussite de cette aventure de la connaissance humaine avec la mission Gaia et la campagne d'observations d'Apogee (Apache Point Observatory Galaxy Evolution Experiment), dans le cadre du SDSS (Sloan Digital Sky Survey).

Il y a dix milliards d’années, la Voie lactée a fusionné avec une grande galaxie nommée Gaia-Enceladus. Description de cette méga fusion, découverte par une équipe internationale dirigée par l’astronome Amina Helmi, dans cette vidéo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © University of Groningen

Les premiers résultats spectaculaires de ce projet tombent en ce moment comme le prouve un article déposé sur arXiv et qui a donné lieu à une publication dans le journal Nature. Avec leurs collègues, les astronomes Amina Helmi, de l'université de Groningue (Pays-Bas), et Carine Babusiaux, de l'IPAG/OSUG (CNRS/université Grenoble Alpes) sont ainsi arrivées à la conclusion que la jeune Voie lactée est très probablement entrée en collision, suivie d'une fusion, avec une autre grande galaxie, il y a environ 10 milliards d'années.

Une fusion avec une galaxie 4 fois plus petite que la Voie lactée

Pour cela, les chercheurs se sont notamment appuyés sur le premier catalogue de données fournies par les 22 premiers mois d'observations de Gaia portant sur environ 7 millions d'étoiles. À peu près 30.000 d'entre elles étaient singulières : non seulement leurs orbites étaient un peu plus elliptiques que celles des autres étoiles mais surtout elles étaient parcourues en sens contraire. La détermination plus précise de la composition chimique de leurs atmosphères avec Apogee a aussi montré des spectres singuliers par rapport aux autres étoiles, mais suggérant une histoire partagée donc un lieu de naissance et d'évolution commun, différents des autres étoiles de la Voie lactée.

Ces caractéristiques ont rappelé des souvenirs aux chercheurs ayant travaillé, via des simulations numériques, sur les conséquences à attendre lors de fusions de galaxies de tailles comparables. Ils en ont finalement conclu que les observations de Gaia et d'Apogee se comprenaient bien si une galaxie de la taille du Petit Nuage de Magellan était entrée en collision avec la jeune Voie lactée il y a environ 10 milliards d'années. Elle devait à l'époque être quatre fois plus grande que lui alors qu'actuellement elle l'est environ 10 fois plus.

Deux schémas montrant la structure de la Voie lactée, une spirale barrée de 100.000 années-lumière de diamètre avec des amas globulaires (globular clusters), le Soleil (sun) et des vieilles étoiles dans son halo et son bulbe (bulge). © Esa

Cette hypothèse est soutenue également par les caractéristiques d'au moins 13 amas globulaires dont les orbites sont aussi curieusement rétrogrades dans la Voie lactée. Un tel nombre d'amas plaide bien d'ailleurs pour une fusion entre deux galaxies de tailles respectables et ne s'explique pas par l'engloutissement de plusieurs galaxies naines par la Voie lactée. En bonus, cette découverte suggérée par Gaia et Apogee éclaire d'un jour nouveau d'autres caractéristiques de la Voie lactée que l'on ne comprenait pas bien au niveau de son disque.

En effet, celui-ci a une structure double. Il y a d'abord un disque mince et dense dont l'épaisseur est d'environ 700 années-lumière et où se trouvent les bras de notre Galaxie. Il est lui-même plongé dans un disque plus diffus dont l'épaisseur est d'environ 3.000 années-lumière. Ce disque épais aurait été peuplé lors de la collision entre la Voie lactée et la 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 séisme et éruption. Gaia-Encelade est bel et bien enterré dans la Voie lactée, ses étoiles étant autour de nous. Sa fusion a certainement été comparable à une masse lancée et percutant une marre, dans le fluide d'étoiles auto-gravitant de notre Galaxie.

Ce seraient donc les conséquences de ce choc qui auraient éjecté des étoiles du disque fin de la Voie lactée dans ce qui allait devenir son disque épais et que l'on retrouve aussi dans son halo avec les étoiles et les amas globulaires de Gaia-Encelade.

Simulation informatique de la fusion entre la jeune Voie lactée, dont les étoiles sont en cyan, et une galaxie plus petite, indiquée en rouge. La simulation présentée dans cette animation est décrite dans les articles de Á. Villalobos et A. Helmi, publiés en 2008 et 2009. © ESA Science & Technology, Koppelman, Villalobos & Helmi, Kapteyn Astronomical Instituteuniversity of Groningen, The Netherlands

  • Les étoiles situées dans les disques des galaxies se comportent comme un fluide de particules sans collision. Mais, sous l'effet d'une perturbation, ce fluide peut réagir, un peu comme lorsqu'on lance un caillou dans une mare d'eau et que des ronds se forment, ou lorsque l'on chauffe un gaz.
  • Des naines rouges et oranges de la Voie lactée semblent former l'équivalent de ces ronds, ce qui suggère que, dans le passé, une galaxie naine est entrée en collision avec notre Galaxie. Cette galaxie naine pourrait être celle du Sagittaire, laquelle a peut-être également provoqué la naissance des bras de notre Voie lactée, il y aurait quelques centaines de millions d'années.
  • Les observations des positions et vitesses de dizaines de milliers d'étoiles ainsi que leur composition chimique, notamment avec la mission Gaia de l'ESA, suggèrent maintenant une collision de la Voie lactée avec une galaxie de taille respectable, il y a 10 milliards d'années. Collision suivie d'une fusion.
Pour en savoir plus

Voie lactée : l'archéologie galactique révèle les collisions du passé

Article de Laurent Sacco publié le 25/07/2017

L'archéologie galactique permet des découvertes étonnantes. Ainsi, des étoiles naines situées dans la Voie lactée seraient les vestiges d'anciennes collisions entre notre Galaxie et des galaxies naines comme celle du Sagittaire.

Les astrophysiciens spécialisés dans des problèmes de cosmogonie cherchent à comprendre l'origine et l'évolution des astres. L'un des premiers problèmes qu'ils aient tenté de résoudre au cours du XXe siècle est celui de l'origine du Système solaire (en se fondant sur les idées déjà avancées par Descartes, Kant et Laplace). Ils se sont ensuite attaqués à l'origine de la Voie lactée et, plus généralement, des galaxies. Les progrès sur tous ces fronts de la connaissance n'ont véritablement commencé à être rapides que depuis les années 1970, aussi bien avec la montée en puissance des ordinateurs qu'avec l'accroissement exponentiel des données observationnelles.

On sait que les collisions de planétésimaux et les perturbations gravitationnelles entre les protoplanètes puis les planètes ont joué un rôle majeur dans la naissance puis l'évolution du Système solaire. Aujourd'hui, les tailles et compositions des planètes et des autres petits corps célestes, mais surtout leurs paramètres orbitaux (qu'il s'agisse d'astéroïdes, de planètes naines ou de comètes), sont des indications précieuses pour comprendre la genèse et l'évolution du Système solaire, qui semblent avoir été marquées par des migrations planétaires. L'étude des populations de valeurs pour les distances au Soleil, les excentricités, les inclinaisons par rapport au plan invariant du Système solaire (ou plus exactement le plan de l'écliptique) permet d'avoir accès à une fabuleuse mémoire de l'histoire des planètes, qui est inscrite et conservée dans les orbites des corps célestes.

Une simulation des rencontres entre la galaxie naine du Sagittaire et la Voie lactée. Des courants d'étoiles dus aux forces de marée ont résulté de ces rencontres. Le phénomène durerait depuis quelques milliards d'années. © chriswpurcell

La galaxie du Sagittaire à l'origine des bras de la Voie lactée ?

Ce rôle très important de la mécanique céleste pour la cosmogonie solaire se retrouve à l'échelle de la Voie lactée et des galaxies. Nous avons bien progressé depuis les travaux pionniers de Hubble dans l'exploration du royaume des nébuleuses. Nous voyons les galaxies entrer en interaction, se frôler en s'arrachant de gigantesques courants d'étoiles sous l'influence de leurs forces de marée réciproques et parfois entrer en collision jusqu'à la fusion. Cela nous a permis de comprendre qu'au moins un des processus de croissance des galaxies était similaire à celui des planètes, avec des phénomènes d'accrétion.

Du point de vue de la mécanique céleste, les galaxies sont des sortes de gaz autogravitants d'étoiles que l'on peut décrire par la théorie cinétique des gaz mais qui se comportent aussi un peu comme des corps fluides. Ainsi, les bras et les barres des galaxies sont interprétés comme des équivalents des ondes et des vagues des océans qui concentrent les étoiles. Lorsqu'une petite galaxie entre en collision avec une grande galaxie, comme une spirale telle que la Voie lactée, elle peut y provoquer l'équivalent des ronds dans l'eau naissant de la chute d'une pierre dans une mare. En théorie, si l'on détermine assez précisément les positions et les vitesses d'une large population d'étoiles dans la Voie lactée, on peut donc en tirer des conclusions sur les évènements passés qui l'on affectée, en particulier certaines de ces collisions devraient laisser des traces dans les orbites des populations d'étoiles.

Les astronomes le savent bien, et cela fait un moment déjà qu'ils ont entrepris de faire de l'archéologie galactique avec la Voie lactée. On attend beaucoup des observations astrométriques des positions et vitesses des étoiles que permet le satellite Gaia. Mais on peut toujours faire des découvertes intéressantes avec des télescopes au sol.

Une vue du télescope employé pour faire le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). © David Kirby

En voici une nouvelle illustration avec un article déposé sur arXiv par une équipe d'astronomes états-uniens. Les chercheurs ont utilisé des données collectées à l'aide du fameux télescope du Sloan Digital Sky Survey (SDSS). En l'occurrence, la distribution spatiale d'environ 3,6 millions d'étoiles de type K et M, donc des naines respectivement orange et rouges, s'est révélée bavarde. Des zones de surdensité concentrique ont émergé de l'analyse de ces données, preuve de la présence d'impacts passés dans la « mare » galactique.

Selon les chercheurs, l'un de ces impacts pourrait bien avoir été causé par la collision survenue il y a environ 0,85 milliard d'années entre la Voie lactée et la galaxie naine du Sagittaire. Il s'agit d'une galaxie satellite de la Voie lactée d'environ 10.000 années-lumière de diamètre et qui se trouve actuellement à 80.000 années-lumière de la Terre, sur une orbite polaire à environ 50.000 années-lumière du centre de la Voie lactée. La nature de cette galaxie fait encore l'objet de nombreux débats car on ne sait pas très bien s'il s'agit d'une galaxie elliptique ou d'une galaxie sphéroïdale. Des simulations suggèrent qu'elle est à l'origine des bras de la Voie lactée. Ses forces de marée auraient excité les modes des ondes à l'origine de ces concentrations d'étoiles lors de son précédent passage à travers notre Galaxie. En tout état de cause, la galaxie du Sagittaire semble à l'agonie, lentement démantelée par les forces de marée de la Voie lactée.


Le mystérieux bulbe central de notre galaxie

Article de Laurent Sacco publié le 29/04/2016

Et si les orbites et la composition chimique précise des étoiles de la Voie lactée gardaient en mémoire l'histoire de notre galaxie ? Ce devrait être le cas et la mission Gaia, lancée en 2013, devrait apporter son lot de révélations. En attendant, des astrophysiciens ont isolé une population de vieilles étoiles dans le bulbe central qui pourrait bien en dire long sur son histoire primitive.

Lancé le 19 décembre 2013, le satellite Gaia, de l'Agence spatiale européenne (Esa), a déjà effectué une première campagne complète d'observation. Le premier bilan de ses mesures, et donc des découvertes qui vont avec, est attendu à la fin de l'été 2016. Elles sont d'une précision inégalée et concernent les positions, distances, mouvements et propriétés physiques de plus d'un milliard d'étoiles de la Voie lactée. En combinant ces données astrométriques, photométriques et spectroscopiques, Gaia permettra une étude détaillée de notre galaxie pour en savoir plus sur sa structure en trois dimensions, sa cinématique, son origine et son évolution.

En clair, l'un des objectifs scientifiques de Gaia est de nous permettre de faire de l'archéologie galactique. Tout comme les strates de la Terre gardent en mémoire l'histoire de son activité tectonique ou de son évolution chimique, des populations d'étoiles avec des compositions spécifiques doivent garder la mémoire de l'évolution de la Voie lactée, de ses collisions avec d'autres galaxies - parfois accompagnées de fusions - et des flambées de nouvelles étoiles.

Une vidéo de présentation du satellite Gaia et de sa mission scientifique. © Cnes, YouTube

Quand la Voie lactée n'avait pas de bras

Une publication d'une équipe internationale d'astronomes, sur arXiv, donne un avant-goût de ce que nous révélera Gaia. Les chercheurs ont utilisé le spectrographe AAOmega équipant le Télescope anglo-australien (AAT pour Anglo-Australian Telescope) situé à l'observatoire de Siding Spring, en Australie, pour étudier de plus près les étoiles du centre la Voie lactée.

Au centre de notre galaxie (une spirale barrée), réside un bulbe. De forme ellipsoïdale, il aurait entre 7.000 et 15.000 années-lumière de diamètre et contiendrait environ 5 % de la matière visible contre 90 % dans le disque et 5 % dans le halo. Il existe toute une théorie pour expliquer la formation de la barre et des bras spiraux dans le gaz autogravitant d'étoiles du disque dans la Voie lactée.

Le bulbe contient principalement des vieilles étoiles, qui appartiennent à la population « deux », c'est-à-dire qu'elles sont un peu enrichies en noyaux lourds, ceux formés par la première génération d'étoiles nées dans le cosmos observable. En outre, les orbites sont dispersées autour du centre de la Galaxie et ne sont pas aussi régulières que celles dans son disque. Toutes ces caractéristiques laissent penser depuis un certain temps que la formation du bulbe est très ancienne et que sa structure garde la mémoire des fusions chaotiques de galaxies ayant fait croître la Voie lactée.

Le disque de notre galaxie est bien visible dans l'infrarouge avec cette image du satellite Wise. La majorité des étoiles du bulbe central se comportent comme un bloc cylindrique en rotation. Cependant, une population d'étoiles plus anciennes, sous forme de RR Lyrae, ne se comporte pas de la même façon dans la partie centrale du bulbe de la Voie lactée. Cette population, constituant 1 % de la masse du bulbe, est susceptible d'avoir été l'une des premières parties de notre galaxie. © NOAO/AURA/NSF/AIP/A. Kunder

Regard sur un monde galactique disparu grâce aux RR Lyrae

En scrutant donc plus attentivement ce bulbe, les chercheurs ont mis en évidence une population bien particulière d'étoiles pauvres en éléments lourds, vieilles d'au moins 10 milliards d'années et rassemblées au cœur du bulbe dans une région dont la taille est d'environ 2.000 années-lumière. Il s'agit d'étoiles variables bien connues, les RR Lyrae, utilisées comme chandelles standard pour mesurer les distances dans la Voie lactée. Moins massives que les céphéides (qui permettent de déterminer de grandes distances, celles de galaxies proches de la nôtre), les RR Lyrae sont donc plus nombreuses mais moins lumineuses.

Les vitesses de plusieurs centaines de ces astres ont donc été mesurées. Cependant, alors que les directions des parcours des orbites sont très similaires pour la majorité des étoiles dans la barre et le bulbe de notre galaxie, ce n'est pas le cas pour ces RR Lyrae. Selon les astronomes, cela indiquerait qu'elles datent vraiment de l'époque où la Voie lactée était en train de se former. Mieux, elles garderaient la mémoire de ce qui s'est passé avant la naissance de la barre de la Galaxie.

L'étude encore plus complète de cette population d'étoiles, notamment en augmentant la taille de l'échantillon et en déterminant les compositions chimiques précises, devrait donc permettre de tirer profit de cette fenêtre ouverte sur le passé lointain de la Voie lactée pour mieux comprendre la formation et l'évolution des galaxies.

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