Le cœur de notre galaxie, la Voie lactée, attire l’attention des astronomes comme des papillons vers une flamme. C’est parce qu’il se passe beaucoup de choses là-bas. Non seulement y a-t-il un trou noir supermassif, mais aussi des populations d’étoiles très anciennes qui pullulent au centre. La plupart d’entre eux remontent au moins à la formation de la Galaxie.
Les astronomes ont utilisé le télescope Canada-France-Hawai’i à Hawaï pour étudier une sélection de ces étoiles. Ils voulaient comprendre leurs caractéristiques et leur longévité. Les observations font partie du projet « Pristine Inner Galaxy Survey (PIGS) ». Il étudie depuis plusieurs années le cœur de la Voie lactée pour comprendre ces étoiles anciennes.
Cochons Étoiles anciennes dans le noyau
D’autres études ont montré que les étoiles ont commencé leur formation dans ce qui est maintenant le cœur de la Voie lactée. Les stars des PIG sont les membres restants de la « cour intérieure » de la Voie lactée. Ils tournent lentement autour du noyau et y passent la majeure partie de leur vie. Chimiquement, elles sont très différentes des étoiles plus jeunes dispersées dans la Galaxie. Les anciens sont principalement de l’hydrogène et de l’hélium, ce qui indique qu’ils se sont formés à une époque très ancienne de l’histoire cosmique. En comparaison, les étoiles les plus jeunes de la Voie lactée ont une plus grande abondance de «métaux» tels que le carbone, l’oxygène, l’azote, etc.
Il existe de nombreuses étoiles dans l’Univers lui-même qui se sont formées peu après le Big Bang à partir d’un environnement largement riche en hydrogène et en hélium. Les astronomes peuvent les utiliser comme «modèles» pour étudier les étoiles de notre propre Voie lactée afin de déterminer à quoi elle ressemblait à ses débuts. En règle générale, ces vieilles étoiles existent dans la région centrale de la Galaxie et dans l’essaim d’étoiles qui composent un halo de faible densité autour de la Voie lactée.
Selon Anke Arentsen, membre de l’équipe PIGS, cette étude semble confirmer que l’enquête voit les étoiles les plus anciennes de la Galaxie. “Il est excitant de penser que nous voyons des étoiles qui se sont formées dans les premières phases de la Voie lactée, auparavant largement hors de portée”, a déclaré Arentsen. “Ces étoiles se sont probablement formées moins d’un milliard d’années après le Big Bang, tout comme les reliques de l’Univers primitif.
Ce que les anciennes étoiles disent de l’histoire de la Voie lactée
Lorsque vous regardez des modèles de formation de galaxies pour essayer de comprendre comment la Voie lactée est née, il y a un thème commun : la matière se rassemble. Il le fait encore et encore, de la protogalaxie aux collisions de galaxies en passant par la formation d’étoiles et la formation planétaire. C’est ce que les astronomes appellent un « modèle hiérarchique ».
Il existe deux modèles principaux sur ce qui vient ensuite dans l’évolution d’une galaxie. On dit que l’Univers primitif était un mélange d’amas de gaz et surtout de matière noire. Les amas interagissaient gravitationnellement. Finalement, le composant autre que la matière noire (appelé matière baryonique) de chaque amas s’est refroidi et a commencé à se contracter sur lui-même. Il tourne et crée un proto-disque et finit par se séparer en plus petits amas à l’intérieur du disque. Ces amas sont essentiellement devenus les premières étoiles. Allez un peu plus loin et les galaxies naissantes entrent en collision les unes avec les autres pour former de plus grandes galaxies. C’est (en un mot) ce que les astronomes appellent la théorie de la formation “descendante”.
D’autres proposent que des nuages de gaz plus petits aient commencé le processus de formation d’étoiles et que ceux-ci soient devenus des protogalaxies. Finalement, les protogalaxies ont fusionné pour en former de plus grandes qui ont finalement commencé à tourner et à produire des structures en forme de disque. C’est ce que l’on appelle souvent la théorie de la formation « ascendante ». Dans les deux cas, les galaxies du produit final sont restées enfermées dans des halos de matière noire comme nous le voyons aujourd’hui.
Les deux modèles impliquent que les étoiles les plus anciennes d’une galaxie devraient être présentes dans les régions intérieures denses. Cela semble certainement être vrai pour la Voie lactée. Et, en utilisant la spectroscopie, les astronomes ont découvert que les propriétés chimiques de ces étoiles anciennes correspondent à celles des premières étoiles de l’Univers.
Mettre en perspective des étoiles vieilles de douze milliards d’années
Alors, où est la Voie Lactée dans la hiérarchie ? Il a commencé à se former il y a environ 13,6 milliards d’années et son “noyau” d’origine était une protogalaxie plus petite qui est devenue son premier noyau. À titre de comparaison, l’Univers lui-même a commencé dans le Big Bang, qui est maintenant censé s’être produit il y a au moins 13,8 milliards d’années. Ainsi, les premières étoiles de la Voie lactée n’ont pas tout à fait le même âge que l’Univers. Mais, puisqu’ils se sont formés si tôt, ils sont d’excellentes sondes de ce qu’étaient les conditions dans les premières époques de formation d’étoiles de l’histoire.
Pour prouver leurs idées sur ces étoiles anciennes, les astronomes doivent « voir » le cœur de la Voie lactée. Cela n’a pas toujours été facile. Il est caché par de vastes nuages de gaz et de poussière, ce qui signifie que les observations visuelles sont presque impossibles. Si les astronomes utilisent des filtres spéciaux sur les télescopes ou regardent en utilisant d’autres régimes de lumière (comme l’infrarouge ou la radio, par exemple), ils peuvent repérer ces étoiles assez facilement. L’étape suivante consiste à déterminer leur âge en regardant leur lumière pour déterminer leur teneur en métal. Il n’y a pas autant d’étoiles plus âgées que leurs homologues plus jeunes dans d’autres parties de la Galaxie. Ainsi, les astronomes recherchent des étoiles pauvres en métaux, qui sont probablement plus anciennes.
Les observations de PIGS, combinées aux données d’enquête antérieures de GAIA, ont retracé les mouvements de ces étoiles à travers la Galaxie. Il s’avère que ces étoiles plus anciennes ont des mouvements plus chaotiques, mais elles ont tendance à maintenir un chemin de rotation moyen autour du noyau. En règle générale, la plupart des étoiles anciennes résident à l’intérieur d’une région sphérique qui s’étend à peu près à mi-chemin entre le noyau de la Galaxie et le Soleil. Cependant, certains se trouvent à l’intérieur d’un halo de faible densité entourant la Galaxie, où ils sont plus faciles à repérer.
Prochaines étapes
Arentsen a présenté les résultats de l’enquête PIGS lors d’une réunion de la Royal Astronomical Society. Avant cette présentation, elle et l’équipe ont publié d’autres résultats de l’enquête PIGS, datant de plusieurs années. Ils se concentrent également sur les caractéristiques des étoiles vieillissantes au cœur de la Voie lactée.
Comment des étoiles aussi anciennes peuvent-elles encore exister ? Vraisemblablement, la plupart des plus anciennes de l’Univers ont depuis longtemps explosé en supernovae ou rencontré une autre fin. Au cœur d’une galaxie, il est probable qu’un grand nombre pourrait être englouti par le trou noir supermassif en pleine croissance. Il sera donc intéressant de découvrir pourquoi le noyau de notre galaxie abrite toujours une population d’anciens citoyens stellaires.
D’autres études sur le cœur de la Voie lactée devraient en apprendre davantage sur la formation, la vie et les mouvements de ces premières étoiles. “Les données disponibles pour ces objets anciens augmentent rapidement”, a déclaré Arentsen. “Je suis ravi de voir ce que nous apprendrons sur ces premières étoiles à peupler notre Galaxie dans les prochaines années !”
Pour plus d’informations
Les cochons trouvent des étoiles anciennes au cœur de la Voie lactée
The Pristine Inner Galaxy Survey (PIGS) – V. Une enquête chimio-dynamique sur l’assemblage précoce de la Voie lactée avec les étoiles les plus pauvres en métaux du renflement
