Wise (Wide-field infrared survey explorer, en français « Explorateur à grand champ pour l'étude dans l'infrarouge ») est un télescope spatial américain dont la mission consiste à réaliser une cartographie complète des sources infrarouges afin de repérer en particulier les astéroïdes comme les géocroiseurs, les étoiles peu visibles proches du Soleil et les étoiles de notre Galaxie masquées en lumière visible derrière des nuages interstellaires comme c'est le cas avec certains amas ouverts d'étoiles. © Nasa, JPL-Caltech

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Les amas ouverts, clé de la structure de la Voie lactée

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Avant de s'interroger sur la forme et la structure du cosmos dans le cadre des cosmologies relativistes, les astronomes se sont d'abord intéressés à celles de la Voie lactée, qui était censée être tout l'univers. Ils continuent d'en apprendre toujours plus, en étudiant notamment les amas ouverts d'étoiles. Selon les récentes observations d'astronomes brésiliens, la Galaxie comporterait ainsi quatre bras spiraux.

La lunette de Galilée, le télescope de Newton, ainsi que les instruments qui leur ont succédé au cours du siècle suivant, ont révélé l'effarant nombre d'étoiles dans la Voie lactée qui était alors considérée comme l'univers. Les spéculations sur la structure de notre Galaxie n'ont alors pas tardé, comme en témoignent les réflexions de Thomas Wright et Emmanuel Kant : ils pensaient que d'autres « univers-îles », c'est-à-dire des concentrations d'étoiles comme notre Voie lactée, devaient aussi exister.

Il n'est malheureusement possible de déduire la structure de la Galaxie que par des observations indirectes puisque nous en faisons partie. De plus, la présence de poussières dans le milieu interstellaire fait obstacle à l'observation des régions lointaines de la Voie lactée à travers le disque d'étoiles dans lequel le Soleil se trouve. Toutefois, la découverte puis l'étude des amas globulaires allaient changer la donne.

Rappelons que les amas globulaires sont des concentrations sphéroïdales très denses, de quelques centaines de milliers d'étoiles en moyenne, qui se sont formées dans les premiers milliards d'années de l'histoire de l’univers observable. L'un des plus célèbres est l'amas d'Hercule (M13), vers qui le fameux message d'Arecibo a été envoyé en 1974. Dans le cas de la Voie lactée, on en connaît plus de 150 mais il est probable qu'il en existe dix à vingt fois plus. Leurs tailles sont comprises entre plusieurs dizaines et plusieurs centaines d'années-lumière et ils se situent sur des orbites elliptiques tout autour de notre Galaxie, répartis de façon isotrope autour du bulbe central et dans le halo. C'est grâce aux amas globulaires que l'astronome Harlow Shapley a pu déterminer la taille de la Voie lactée et la position qu'y occupait le Soleil. Il lui fallut quatre ans de travail à partir de 1914 pour arriver à son but. Cependant, la structure exacte de notre Galaxie, que l'on savait tout de même être un disque, restait alors indéterminée.

Une carte probable de la structure spirale de la Voie lactée avec la position du Soleil (sun). © Nasa

Heureusement, quelques décennies plus tard, la découverte de la fameuse raie à 21 cm de l'hydrogène atomique neutre a permis à Oort et ses collègues de lever en partie le voile sur la structure de la Voie lactée. Il est apparu qu'elle possédait des bras spiraux à l'instar de certaines galaxies spirales découvertes et identifiées comme des « univers-îles » semblables au nôtre depuis les travaux de Hubble.

Les astronomes ont aussi découvert qu'il existait d'autres concentrations d'étoiles (de 100 à 1.000), situées cette fois-ci dans le disque de la Voie lactée ; il les ont appelées des amas ouverts. Il y a quelques années, ils en connaissaient plus d'un millier mais ils savaient qu'il en restait beaucoup d'autres à découvrir. L'un des plus célèbres amas ouvert est celui des Pléiades (M45). Contrairement aux amas globulaires, comme Messier 9, qui sont âgés de plus de dix milliards d'années, ces amas contiennent de jeunes étoiles. Elles sont nées dans de gigantesques nuages moléculaires situés dans le disque de notre Galaxie.

Notre Soleil est d'ailleurs né dans l'un de ces amas ouverts. Mais, comme beaucoup d'entre eux sont faiblement liés gravitationnellement, les étoiles se dispersent rapidement dans la Voie lactée, de sorte que la moitié des amas ont un âge inférieur à 200 millions d'années. Certains mettent plus de temps à se dissiper et on estime que moins de 1 % d'entre eux survivent pendant deux milliards d'années.

Les amas ouverts EC, des pouponnières d'étoiles

Certains amas ouverts, appelés embedded clusters (EC) en anglais, que l'on pourrait traduire par « amas enchâssés », sont particulièrement intéressants pour déterminer la structure de la Voie lactée. Ils baignent dans une nébulosité constituée de gaz et de poussière ; il s'agit d'étoiles particulièrement jeunes, encore en formation ou tout juste nées. On peut les détecter en effectuant des observations dans l'infrarouge.

Une carte montrant certains des amas ouverts de type EC découverts dans les données du télescope Wise de la Nasa. Les barres indiquent des incertitudes concernant ces amas. © Nasa

Les astronomes ont toutes les raisons de penser que ces pouponnières d'étoiles se trouvent dans les bras spiraux de la Voie lactée. Dans les années 1960, les astrophysiciens C. C. Lin et Frank Shu ont montré de façon convaincante que ces bras provenaient de la formation d'ondes de densité dans le fluide d'étoiles de notre Galaxie. Il s'agit donc, en quelque sorte, d'ondes stationnaires — qui font penser à des vagues à la surface de l'eau — concentrant localement des étoiles. Le milieu interstellaire y est aussi affecté et la formation des étoiles y est favorisée en raison de l'augmentation de la densité du gaz.

La Voie lactée, une galaxie spirale avec quatre bras ?

Les amas ouverts ne restent pas éternellement dans les bras spiraux mais l'on peut être raisonnablement sûr que les EC s'y trouvent. Détecter et localiser ces amas ouverts très jeunes est donc un bon moyen de reconstruire la structure spirale de la Voie lactée.

L'astronome Denilso Camargo, grand chasseur d'amas stellaires. © Denilso Camargo

L'astronome brésilien Denilso Camargo, compatriote d'Arturo Avila, de l'université fédérale du Rio Grande do Sul (Universidade Federal do Rio Grande do Sul ou UFRGS), une université fédérale brésilienne située principalement à Porto Alegre, l'a visiblement bien compris. Avec ses collègues, Eduardo Bica et Charles Bonatto, il chasse en effet les amas ouverts et globulaires dans les données collectées par le télescope Wise (Wide-field infrared survey explorer) de la Nasa. Il y a quelque temps, ces chercheurs avaient même fait une découverte retentissante : ils avaient trouvé, contre toute attente, deux amas ouverts de type EC à 16.000 années-lumière sous le disque de la Voie lactée.

Camargo et ses collègues se sont donc aussi servis des amas de type EC dans le disque de la Galaxie pour préciser sa structure spirale et ils ont annoncé que leurs observations étaient en faveur de la présence de quatre bras spiraux dans la Voie lactée. Ce mois de novembre, ils ont mis sur arXiv un article dans lequel ils expliquent le bilan de leur quête aux amas d'étoiles dans les données de Wise. Les astronomes peuvent s'enorgueillir d'avoir maintenant 1.098 amas d'étoiles à leur tableau de chasse : un record spectaculaire.

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