Jusqu'à aujourd'hui, il était soupçonné mais n'avait jamais été retrouvé. Notre Galaxie, la Voie lactée, possède un noyau d'étoiles, parmi les toutes premières qu'elle a jamais abritées. Et des chercheurs viennent tout juste de prouver sa présence, grâce aux dernières données récoltées par le satellite Gaia !

Du haut de ses 100.000 années-lumièreannées-lumière de diamètre, notre GalaxieGalaxie, la Voie lactée, abrite entre 100 et 400 milliards d'étoiles. Appartenant aux galaxies spirales barréesgalaxies spirales barrées, elle contient néanmoins un halo d'étoiles tout autour du disque galactique. La densité d'étoiles y est plus faible, mais bien présente. Comme la plupart des galaxies à disque, elle s'est formée principalement par des collisions avec d'autres galaxies, plus petites. Elle les a ensuite aspirées petit à petit, jusqu'à ce que les deux astresastres ne fassent plus qu'un ! Mais des chercheurs ont étudié une autre partie de l'origine de notre Galaxie : ce qu'ils appellent le « noyau de la galaxie », des étoiles qui se situeraient près du centre et dateraient des tout premiers instants de la Voie lactéeVoie lactée, soit moins d'un milliard d'années après le Big BangBig Bang. Les résultats de leur étude ont été prépubliés sur le serveurserveur arXiv.

Une vue de la Voie lactée et de sa structure. On peut distinguer le bulbe galactique, au centre, le disque, et le halo stellaire. © ESA, Nasa, JPL-Caltech
Une vue de la Voie lactée et de sa structure. On peut distinguer le bulbe galactique, au centre, le disque, et le halo stellaire. © ESA, Nasa, JPL-Caltech

Deux scénarios pour la formation de la Voie lactée

Composée d'astronomesastronomes et d'astrophysiciensastrophysiciens, l'équipe pratique ce que l'on appelle l'archéologie galactique : les chercheurs tentent de comprendre l'histoire, la formation des galaxies, qu'il s'agisse de la nôtre ou de celles qui l'entourent. Or, d'après l'étude, deux scénarios peuvent mener à une galaxie à disque aussi massive que la nôtre. Deux scénarios qui se mélangent souvent. D'abord, les chercheurs expliquent qu'il se forme un noyau primitif, composé d'étoiles pauvres en métaux. Ceci parce qu'au tout début de l'Univers, seuls les éléments les plus légers étaient présents, hydrogènehydrogène et hélium. Des nuagesnuages plus denses, appelés protogalaxies, se sont ensuite formés, et c'est à partir d'eux que les premières étoiles, puis galaxies, sont nées ! Les éléments plus lourds que l'hélium, qualifiés de « métaux » en astrophysiqueastrophysique, ne se sont répartis dans le milieu interstellaire qu'après les premières supernovassupernovas, les explosions d'étoiles massives en fin de vie. Ainsi, selon l'étude, « les galaxies à disques massifs comme notre Voie lactée devraient héberger une population stellaire ancienne, pauvre en métaux et concentrée au centre ».

Suite à la création de ce premier noyau, arrivent les fusionsfusions entre galaxies, qui pourraient aussi remplacer la formation d'étoiles primitives« dans le contexte de la formation hiérarchique de galaxies à disques massifs comme la Voie lactée, nous devrions nous attendre à ce que les étoiles les plus anciennes et les plus pauvres en métaux se soient formées au sein d'une des surdensités principales qui ont fusionné tôt pour former la protogalaxie, ou se soient formées tôt dans des galaxies satellites distinctes qui ont finalement fusionné avec le corps principal. Le premier chenal est communément appelé formation in situ, le second accrété ». Et le but des chercheurs était justement de distinguer ces deux scénarios ! 

C'est entre le Sagittaire, le Serpentaire et le Scorpion que brille le centre de notre Galaxie, la Voie lactée. © SkySafari
C'est entre le Sagittaire, le Serpentaire et le Scorpion que brille le centre de notre Galaxie, la Voie lactée. © SkySafari

Selon eux, tout a commencé avec un noyau in situ, donc la création d'étoiles au sein d'un nuage d'hydrogène et d'hélium, puis différentes collisions ont conduit à l'agrandissement de la galaxie. Les chercheurs évoquent notamment une collision avec la galaxie Gaïa-Encelade il y a 11,5 milliards d'années et plusieurs collisions successives avec la galaxie satellite naine du Sagittaire, toujours en orbiteorbite autour de la Voie lactée. En plus de ces deux événements bien connus, l'étude évoque d'autres indices d'une galaxie agrandie par accrétionaccrétion« un nombre croissant de composants accrétés distincts supplémentaires de la Galaxie ont été identifiés ».

18.000 étoiles retrouvées avec une métallicité très faible

Pour retrouver ce mystérieux noyau in situ, les chercheurs sont allés pister environ 2 millions d'étoiles géantesétoiles géantes, situées à moins de 30° du centre galactique, dans la direction de la constellation du Sagittaire. Ils ont ensuite entrepris de calculer leur métallicitémétallicité, en se basant sur la quantité de ferfer relative de ces étoiles par rapport à l'hydrogène, et en comparant avec le SoleilSoleil. Pour cela, ils ont utilisé les dernières données récoltées par le satellite GaiaGaia, dévoilées le 12 juillet 2022. Et ils ont trouvé un amas de 18.000 étoiles, à la fois anciennes, datant d'il y a près de 12,5 milliards d'années, et pauvres en métal ! Le tout pour une massemasse mesurée de 5.107 masses solaires, mais calculée à 10masses solaires en prenant en compte l'obscurcissement par la poussière, soit environ 0,2 % de la masse totale de la galaxie. 

Le satellite Gaia observant et mesurant les objets de la Voie lactée. À droite, les galaxies du petit et grand nuage de Magellan. © satellite : ESA/ATG medialab & Voie lactée : ESA/Gaia/DPAC; CC by-sa 3.0 IGO, A. Moitinho
Le satellite Gaia observant et mesurant les objets de la Voie lactée. À droite, les galaxies du petit et grand nuage de Magellan. © satellite : ESA/ATG medialab & Voie lactée : ESA/Gaia/DPAC; CC by-sa 3.0 IGO, A. Moitinho

Jusqu'à aujourd'hui, des étoiles anciennes et pauvres en métallicité avaient été trouvées, comme SDSS J102915+172927 âgée d'environ 13 milliards d'années, ou encore HE 1523-0901, la plus âgée de la galaxie, située dans le halo galactique. Mais elles se trouvent toutes isolées : c'est la première fois qu'un tel amas aussi ancien est trouvé ! L'étude explique aussi que les étoiles trouvées « ne montrent aucune rotation nette », contrairement aux étoiles de métallicité supérieure qui sont « dominées par la rotation ». Un résultat qui témoigne d'autant plus de l'ancienneté de ces étoiles, formées alors que la galaxie n'en était pas encore une, et n'avait pas encore enclenché sa rotation !

Ainsi, pour les chercheurs, « toutes ces informations correspondent à une image dans laquelle ce cœur pauvre en métaux de la Voie lactée constitue le composant proto-galactique le plus ancien de notre Galaxie ». Ils concluent en expliquant que leurs résultats « ne sont en aucun cas une nouvelle composante stellaire distincte de la Voie lactée », et que « la distribution spatiale de cette population mérite d'être modélisée quantitativement ». Des études supplémentaires permettront d'en savoir plus sur ce noyau in situ de la Voie lactée, et ainsi sur son passé !