L’histoire cachée de la Voie Lactée révélée par de vastes cartes stellaires

crédit: ESA/Gaia/DPAC

en avril dernier, Amina Helmi a ressenti la chair de poule en se rendant au travail dans le nord des Pays-Bas. Cela n’avait rien à voir avec la météo — c’était une pure anticipation. Quelques jours plus tôt, un flot de données avait été publié par Gaia, une mission de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) qui cartographie la Voie lactée depuis cinq ans., L’astronome de L’Université de Groningue et son équipe étaient en course pour passer au peigne fin les données pour obtenir des informations sur la galaxie avant que d’autres n’y arrivent en premier.

travaillant sur fast-forward, incapables de dormir de l’excitation, Helmi et ses collègues ont senti qu’ils étaient sur quelque chose. L’équipe avait repéré un ensemble de 30 000 étoiles renégates. Contrairement à d’autres objets du corps principal de la Voie Lactée, qui orbitent sous une forme de disque relativement plat, ces non-conformistes se déplaçaient en arrière, sur des orbites qui les transportaient hors du plan galactique.,

en quelques semaines, l’équipe avait découvert que la horde lumineuse pointait vers un chapitre longtemps caché et particulièrement tumultueux de l’histoire de la Voie Lactée: un affrontement entre la jeune galaxie et une compagnie colossale1. Cette bête a déjà fait le tour de la Voie lactée comme une planète autour d’une étoile, mais il y a environ 8 milliards à 11 milliards d’années, les deux sont entrés en collision, modifiant massivement le disque galactique et diffusant des étoiles très loin. C’est le dernier accident majeur connu de la galaxie avant qu’elle ne prenne la forme en spirale familière vue aujourd’hui.,

bien que le signal de cet ancien accident ait été caché à la vue de milliards d’années, ce n’est que grâce à L’ensemble de données de Gaia que les astronomes ont finalement pu le détecter. ” C’est tout simplement incroyable d’avoir pu trouver une étape aussi importante dans l’histoire de la Voie Lactée », déclare Helmi.

de telles découvertes monumentales deviennent presque monnaie courante grâce à Gaia. La mission vise à cataloguer plus de 1 milliard d’étoiles locales, en cartographiant leur luminosité, leur température, leur âge, leur emplacement et leur vitesse., Ce sont ces deux dernières propriétés qui sont particulièrement édifiantes pour les astronomes: avant Gaia, les scientifiques manquaient de mesures de haute précision de la distance à de nombreuses étoiles, ainsi que de ce que l’on appelle le mouvement propre, ou le mouvement d’une étoile à travers le ciel. En utilisant ces informations cruciales, les chercheurs peuvent — comme Helmi et ses collègues l’ont fait — rechercher des groupes d’objets voyageant ensemble dans des trajectoires coordonnées qui pointent vers une histoire commune., Les vitesses stellaires peuvent également aider les astronomes à retracer l’influence de la matière noire — la substance invisible et encore mystérieuse qui constitue la majeure partie de la masse de la galaxie et courbe les trajectoires des étoiles avec sa gravité.

des centaines d’articles ont été publiés depuis la publication des données de Gaia en avril 2018. Ils peignent une image d’une Voie Lactée beaucoup plus dynamique et complexe qu’on ne l’imaginait auparavant. La galaxie regorge de surprises, y compris des notes d’amas de matière noire qui pourraient éventuellement donner aux scientifiques une meilleure compréhension des propriétés de la matière ténébreuse., Les premières découvertes faciles à repérer ont déjà été transformationnelles, explique L’astronome Vasily Belokurov de l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni, et pourtant elles ne sont qu’un aperçu de ce qui va arriver: « la façon dont nous voyons la Voie lactée a clairement changé. »

un passé perturbateur

Le système solaire se trouve à la périphérie de la Voie Lactée, à environ 8 000 parsecs (26 000 années-lumière) du Centre galactique, sur un bras spiral secondaire connu sous le nom D’Orion. C’est de ce perchoir, en regardant l’énorme bande étoilée qui s’étend à travers le ciel nocturne, que les astronomes doivent cartographier la structure de la galaxie., Au milieu du XXe siècle, ils avaient peint une image au pinceau large, déterminant que les étoiles de la Voie lactée sont réparties dans un renflement central, enveloppées par des bras stellaires serpentins et entourées d’un mince halo sphérique. Dans les années 1970 et 1980, les chercheurs ont déduit comment cette structure s’était constituée sur des milliards d’années, en commençant par un vaste nuage de matière noire, de gaz et de poussière. Les composants visibles se sont effondrés en une structure en forme de disque, qui s’est ensuite gonflée en dévorant des galaxies satellites plus petites., Les astronomes ont ensuite rempli les détails en utilisant des télescopes terrestres pour photographier à plusieurs reprises l’ensemble du ciel nocturne. De telles enquêtes ont permis aux scientifiques de scruter de plus près des objets galactiques à grande échelle tels que le halo stellaire, où ils ont trouvé des restes de petites galaxies qui s’étaient étendues dans des flux de débris parsemés d’étoiles.

Mais les relevés au sol ne donnent aux astronomes que beaucoup d’informations sur la structure de la Voie Lactée, principalement parce que le flou de l’atmosphère turbulente de la Terre limite la précision avec laquelle les distances aux étoiles peuvent être déterminées., Et bien que la vitesse à laquelle les étoiles se déplacent vers ou loin de la Terre peut être mesurée par des changements de couleur, trier leur mouvement propre — et donc leur vitesse 3D complète — est difficile parce que la plupart des objets se déplacent si peu dans le ciel sur les échelles de temps humaines. Ce problème a occulté les relations entre de nombreuses étoiles — des liens qui pourraient être révélés par des similitudes dans leurs mouvements.

la mission Gaia d’environ 740 millions €(844 millions US US), approuvée en 2000 et lancée 13 ans plus tard, a été conçue pour combler ces lacunes., En orbite autour du soleil un peu plus loin que la Terre, le vaisseau spatial capture les mêmes étoiles de différentes positions dans son orbite. Cela permet aux astronomes de mesurer la distance à travers une quantité connue sous le nom de parallaxe stellaire — des changements infinitésimaux dans la position apparente d’un objet dans le ciel qui accompagnent un changement de perspective. Le satellite Hipparcos de l’ESA, qui a fonctionné entre 1989 et 1993, a recueilli des données de parallaxe similaires. Mais la précision de Gaia sera finalement 100 fois supérieure., Et grâce à sa sensibilité, il peut sonder plus profondément dans la galaxie: quelque 99% des plus de 1 milliard d’étoiles qu’il observe n’ont jamais vu leurs distances déterminées avec précision.

dans une entreprise de calcul intensif, les chercheurs de Gaia ont construit un tracé de l’emplacement de chaque étoile par rapport à toutes les autres étoiles que le télescope voit. Cela a permis à l’équipe de mesurer la vitesse à laquelle les étoiles semblent voyager dans le ciel — leur mouvement propre., Ensuite, en mesurant de petits changements dans la couleur des étoiles, les astronomes peuvent obtenir une indication de la vitesse à laquelle les objets se déplacent vers ou loin du satellite, le long de sa ligne de visée. La combinaison des deux mesures, plus les distances calculées à partir de Gaia, fournit le mouvement 3D complet des étoiles. Gaia peut mesurer le mouvement de la ligne de visée pour les étoiles les plus brillantes qu’il voit, mais les télescopes au sol aideront à mesurer les étoiles restantes. Savoir où se trouve chaque étoile et où elle va permet aux chercheurs de découvrir rapidement l’histoire cachée de la Voie Lactée.,

Ce fut le cas pour L’ancienne collision étudiée par Helmi et ses collègues (voir « fusion dans les premiers stades de formation de notre galaxie »). Dans leur travail, la preuve que la cohorte d’étoiles qu’ils ont repérées partageait une origine commune a été renforcée par les données du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) au Nouveau-Mexique, qui a montré que les membres de l’ensemble avaient tous une composition chimique similaire. L’équipe a choisi le nom Gaia-Encelade pour la galaxie naine qui aurait été la maison des étoiles. Encelade était un géant qui descendait de Gaïa dans la mythologie grecque.,

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comme c’est arrivé, Belokurov et ses collègues avaient également trouvé des preuves de la collision, en utilisant les informations de la publication des données préliminaires de Gaia en 2016. Ces données ne comprenaient pas de mesures de mouvement appropriées, mais en comparant les positions stellaires dans cet ensemble de données avec les observations SDSS prises il y a environ une décennie, l’équipe a pu voir comment les étoiles s’étaient déplacées dans l’intervalle. Ils ont remarqué un groupe d’objets voyageant ensemble sur des orbites excentriques qui devraient éventuellement les emmener du centre de la galaxie à la périphérie., Ceux-ci semblaient provenir d  » un seul accident majeur, leur histoire commune apparente en raison de similitudes dans la teneur en métal. Parce que les vitesses tracées formaient une forme de saucisse, l’équipe a surnommé L’ancienne galaxie naine qui était autrefois la maison des étoiles la saucisse Gaia 2.

La double appellation a conduit à une certaine confusion dans la communauté. Mais quel que soit le coupable, l’ancienne fusion pourrait être un indice d’un mystère permanent de la Voie Lactée., Le disque de la galaxie a deux composants – un mince disque interne contenant du gaz, de la poussière et de jeunes étoiles se trouve comme le remplissage d’un Oreo, à l’intérieur d’un épais disque externe composé presque entièrement d’étoiles plus anciennes. Les astronomes ont débattu si le disque épais est apparu en premier, avec du gaz et de la poussière se condensant ensuite pour former un noyau plus mince, ou si la structure a commencé avec un disque mince qui a ensuite été partiellement gonflé., Parce que la saucisse Gaia-Encelade représentait une fraction importante de la taille de la Voie Lactée lors de l’accident, elle aurait déposé beaucoup d’énergie dans le disque galactique, le chauffant et l’élargissant. Le groupe de Helmi voit cela comme une marque en faveur du scénario gonflant, et la preuve d’une distorsion dramatique de la Voie Lactée.

explosion des connaissances

La vitesse à laquelle de telles idées auparavant difficiles peuvent être faites en utilisant les données de Gaia a étonné les chercheurs., L’astronome Kathryn Johnston de L’Université Columbia à New York se souvient du buzz sur un article publié le lendemain de la publication des données d’avril, montrant comment les mouvements d’environ 6 millions d’étoiles proches du soleil sont tous alignés dans un motif en spirale semblable à une coquille d’escargot3.

le motif semblait être une empreinte digitale, dit Johnston, estampillée par une petite galaxie satellite connue sous le nom de Sagittaire. Chaque fois que le Sagittaire se rapproche, il perturbe gravitationnellement les étoiles galactiques, ce qui devrait générer des oscillations et des ondulations dans le disque., Les chercheurs avaient déjà conjecturé sur de telles empreintes, mais la signature dans les données Gaia semblait être le premier signal clair et convaincant de L’influence du Sagittaire. ” Pour moi, ce fut un moment magnifique », dit Johnston. « La spirale était très propre. Cela ressemblait à une prédiction théorique à partir d’une simulation idéalisée, pas à un véritable Tracé de données. »

grâce aux yeux de Gaia, de telles perturbations ne se distinguent pas seulement, elles racontent également une histoire différente sur le passé de la Voie Lactée., Auparavant, la plupart des astronomes ont présumé que, alors que le halo extérieur de la galaxie a subi une histoire de collision chaotique avec des satellites plus petits, la majeure partie a vécu une vie assez calme. Des caractéristiques telles que les bras spiraux et une barre d’étoiles qui traverse le renflement central ont généralement été traitées comme des produits de la dynamique interne de la Voie Lactée. Mais les oscillations qui semblent être induites par le Sagittaire suggèrent que les forces extérieures ont une plus grande incidence sur la forme de la Voie Lactée que ce qui était précédemment reconnu.,

Gaia oblige les chercheurs à examiner de nouveau certaines des hypothèses canoniques utilisées pour simplifier les modèles, explique L’astrophysicien Adrian Price-Whelan de L’Université de Princeton dans le New Jersey. ” Nous savions que ces hypothèses étaient fausses », ajoute-t-il. « Gaia nous a maintenant montré à quel point ils avaient tort. »

tracer le côté obscur

La cartographie des objets lumineux de la Voie Lactée pourrait également éclairer la matière noire, qui pourrait constituer jusqu’à 90% de la masse de la galaxie., Les théoriciens soupçonnent que notre Galaxie se trouve à l’intérieur d’un énorme halo grossièrement sphérique de matière noire qui, tout comme la matière ordinaire, s’est agglomérée en structures plus petites grâce à la gravité. Des simulations cosmologiques suggèrent que des milliers de grands amas de matière noire orbitent autour de la galaxie, se faisant parfois manger par une masse de matière noire au centre, dans un processus semblable à la consommation par la Voie Lactée de ses petits satellites visibles.

on pense que la grande majorité des sous-structures de matière noire contiennent peu ou pas d’étoiles, ce qui les rend difficiles à détecter., Mais Gaia pourrait en avoir trouvé un soupçon dans GD-1, un long flux d’étoiles découvert en 2006 qui s’étend sur la moitié du ciel Nord. Ce flux stellaire n’est pas étranger à l’examen, mais Gaia a permis à Price-Whelan et à L’astronome Ana Bonaca du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics à Cambridge, Massachusetts, de choisir avec plus de confiance les vrais membres du groupe4. En novembre dernier, avec deux autres collègues, ils ont identifié des caractéristiques structurelles, dont une lacune distincte, qui pourraient être les cicatrices d’une rencontre avec un objet massif il y a environ 500 millions d’années5., Alors que le perturbateur putatif passait le courant, il aurait pu séparer le train d’étoiles en tirant gravitationnellement sur certaines, leur permettant de prendre de l’avance sur leurs compagnons.

le coupable le plus probable semble être un amas dense de matière noire, probablement quelque part entre 1 million et 100 millions de fois la masse du soleil, dit Bonaca. Cette estimation pourrait avoir des implications pour les modèles physiques de la matière noire. La masse d’une particule de matière noire aide à dicter sa vitesse de déplacement et, à son tour, la taille des amas qu’elle est susceptible de former., La taille du perturbateur GD-1 est dans une gamme intéressante, dit Bonaca, qui pourrait éliminer les candidats hypothétiques de matière noire qui sont relativement faibles en masse.

Bonaca et son équipe s’intéressent maintenant à l’utilisation des données de Gaia pour déterminer les vitesses des étoiles perturbées dans le flux, qui pourraient pointer vers l’orbite de l’amas de matière noire putative. S’ils peuvent déterminer où il pourrait être trouvé aujourd’hui, ils pourraient être en mesure de détecter ses effets gravitationnels sur d’autres matériaux., Ou peut-être pourraient-ils entraîner des télescopes à rayons γ sur place pour rechercher des preuves de particules de matière noire s’annihilant ou se désintégrant, processus qui pourraient émettre des photons énergétiques. L’une ou l’autre technique pourrait offrir une sonde plus directe des propriétés physiques de la substance invisible.

pourtant, Price-Whelan dit qu’il est difficile d’en déduire trop à partir d’un seul exemple., Il espère que les études systématiques utilisant le catalogue Gaia et les futurs observatoires — tels que le Large Synoptic Survey Telescope au sol au Chili, qui devrait commencer à recueillir des données au début des années 2020-révéleront des étoiles plus faibles et d’autres flux stellaires. Si certains de ces flux montrent également des effets de la rencontre avec des amas de matière noire, ils pourraient donner aux astronomes une meilleure idée de l’abondance et de la taille de ces amas, ce qui aiderait à cerner les propriétés de la matière noire.,

Les astronomes espèrent que les données de Gaia sur les mouvements stellaires les aideront également à cartographier la forme générale du côté obscur de la galaxie. Selon le type de particule à partir de laquelle il est construit, le halo de matière noire de la Voie Lactée pourrait avoir différents niveaux de sphéricité ou de symétrie. Belokurov s’attend à ce que les informations de Gaia sur les orbites stellaires locales soient suffisantes pour tracer la masse et la forme globales du halo de matière noire au cours des 2 à 4 prochaines années.

de telles découvertes ne se limiteront pas à la Voie Lactée., Les conclusions tirées sur l’histoire de la galaxie et la distribution de la matière noire seront reprises dans les modèles cosmologiques qui sont utilisés pour explorer comment les grandes structures de l’univers ont grandi et changé. Gaia a déjà obtenu sa première extension de mission à la fin de 2020, et l’astronome Anthony Brown de L’Université de Leiden aux Pays-Bas, qui préside le consortium de traitement et d’analyse des données de la mission, pense que le satellite peut continuer à collecter des données jusqu’en 2024, pour une mission de dix ans au total., Il dit que cette extension devrait fournir un facteur de trois amélioration de la précision de la mesure du mouvement propre de Gaia pour les étoiles qu’il suit actuellement. Et cela pourrait fournir des informations sur des étoiles toujours plus lointaines.

L’héritage ultime de Gaia n’a pas encore été écrit, mais tout indique qu’il sera substantiel. Les données provenant de levés tout-ciel tels que ceux menés par le SDSS continuent de fournir des découvertes fructueuses sur l’univers une décennie ou plus après leur achèvement., Helmi est impatient de rembobiner l’histoire de la Voie Lactée à mesure que le catalogue de Gaia s’agrandit et s’enrichit. ” L’une des choses que je trouve les plus excitantes, dit-elle, c’est que nous avons commencé à creuser dans le passé.”

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