Découverte des ruines d’un ancien amas d’étoiles aux confins de notre galaxie

Cette illustration montre l’emplacement du courant stellaire C-19 (courant vertical orange d’étoiles en bas à gauche), qui a été récemment découvert aux confins de notre galaxie, la Voie lactée. Les observations effectuées à l’aide du télescope Gemini Nord – qui fait partie de l’Observatoire international Gemini, un programme du NOIRLab de la NSF – révèlent que les étoiles de ce courant faisaient autrefois partie d’un ancien amas d’étoiles globulaire qui a été déchiré par les interactions gravitationnelles avec notre galaxie. Le Grand Nuage de Magellan et le Petit Nuage de Magellan (galaxies satellites de la Voie lactée) apparaissent en bas à droite. Crédit : International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine, Remerciements : M. Zamani (NOIRLab de la NSF)

L’observatoire Gemini aide à révéler qu’un courant de vieilles étoiles à la surface de la Terre est en train de se former. Voie lactéeest un amas d’étoiles déchiqueté.

Un courant stellaire primordial découvert dans les confins de la Voie lactée présente une proportion d’éléments lourds inférieure à celle de tout système stellaire connu dans notre galaxie. Les observations effectuées avec l’observatoire Gemini, un programme du NOIRLab de la NSF, ont montré que les étoiles de ce courant ont été arrachées à un ancien amas stellaire et sont des reliques des premiers jours de la Voie lactée, ce qui pourrait donner un aperçu de la formation des premières étoiles.

Une équipe internationale de chercheurs comprenant des membres d’Europe, du Canada et de Russie a découvert un courant unique d’étoiles en orbite autour de la Voie lactée.^[1] Appelé C-19, le courant stellaire se trouve au sud de la spirale de la Voie lactée, et son orbite s’étend à environ 20 000 années-lumière du centre galactique à son approche la plus proche et à environ 90 000 années-lumière à son approche la plus éloignée. Le courant stellaire s’étend sur une étendue impressionnante du ciel nocturne – environ 30 fois la largeur de la pleine Lune – bien qu’il ne soit pas visible à l’œil nu.

En utilisant le télescope Gemini Nord – situé à Hawaï dans le cadre de l’observatoire international Gemini, un programme du NOIRLab de la NSF – et l’instrument GRACES.^[2] l’équipe a réalisé que C-19 est un vestige d’un amas globulaire. De plus, les étoiles du courant possèdent une faible proportion d’éléments lourds, ou comme le disent les astronomes, une faible “métallicité”.^[3] On pensait auparavant que les amas globulaires n’avaient pas une métallicité inférieure à 0,2 %, mais C-19 a une métallicité plus faible que jamais de moins de 0,05 % – plus faible que ce qui a jamais été observé pour un système stellaire dans la Voie lactée ou ses environs.

La découverte qu’un courant de faible métallicité provient d’un amas globulaire a des implications sur la formation des étoiles, des amas d’étoiles et des galaxies dans l’Univers primitif. L’existence même de ce courant prouve que les amas globulaires et les premiers éléments constitutifs de la Voie lactée ont dû se former dans des environnements à faible teneur en métaux, avant que des générations successives d’étoiles n’apportent à l’Univers des éléments plus lourds.^[4]

Cette illustration montre l’emplacement du courant stellaire C-19, qui a été récemment découvert au bord de notre Voie lactée. L’emplacement du Soleil est indiqué à titre de référence. (La taille du Soleil est exagérée et n’est pas à l’échelle.) Le Grand Nuage de Magellan et le Petit Nuage de Magellan (galaxies satellites de la Voie lactée) apparaissent en bas à droite. Crédit : Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine, Remerciements : M. Zamani (NOIRLab de la NSF)

“On ne savait pas si les amas globulaires avec si peu d’éléments lourds existaient – certaines théories supposaient même qu’ils ne pouvaient pas se former du tout”, a commenté Nicolas Martin de l’Observatoire astronomique de Strasbourg, qui est l’auteur principal de l’article de Nature rapportant cette découverte. “D’autres théories suggèrent qu’elles auraient toutes disparu depuis longtemps, ce qui en fait une découverte clé pour notre compréhension de la formation des étoiles dans l’Univers primitif.”

Les membres de l’équipe ont initialement repéré la C-19 dans les données de la mission Gaia^[5] en utilisant un algorithme qu’ils ont conçu spécifiquement pour détecter les courants stellaires. Les étoiles de C-19 ont également été identifiées par l’étude Pristine – une recherche des étoiles les moins métalliques dans et autour de la Voie lactée à l’aide du télescope Canada-France-Hawaii à Hawai’i – comme étant suffisamment intéressantes pour mériter des observations de suivi. Pour identifier l’origine des étoiles constitutives de C-19, les astronomes ont eu besoin des spectres détaillés de GRACES.^[6] L’équipe a également recueilli des données en utilisant un spectrographe monté sur le Gran Telescopio Canarias à La Palma dans les îles Canaries.

Crédit : Distribution des groupes très denses d’étoiles dans la Voie lactée, appelés amas globulaires, superposée sur une carte de la Voie lactée compilée à partir des données obtenues avec l’observatoire spatial Gaia. Chaque point représente un amas de quelques milliers à plusieurs millions d’étoiles, comme dans l’image insérée de l’amas Messier 10. La couleur des points indique leur métallicité, c’est-à-dire leur abondance en éléments lourds par rapport au Soleil. Les étoiles C-19 sont indiquées par les symboles bleu clair. Crédit : N. Martin / Observatoire astronomique de Strasbourg / CNRS ; Télescope Canada-France-Hawaii / Coelum ; ESA / Gaia / DPAC

“GRACES a fourni les indices cruciaux que C-19 est un amas globulaire perturbé et non pas une galaxie naine perturbée plus commune”, a expliqué Kim Venn de l’Université de Victoria, le chercheur principal des observations GRACES.^[7] “Nous savions déjà qu’il s’agissait d’un courant très pauvre en métaux, mais l’identifier comme un amas globulaire nécessitait des métallicités précises et des abondances chimiques détaillées uniquement disponibles avec des spectres à haute résolution.”

Les observations de Gemini suggèrent que l’amas a dû se former à partir des toutes premières générations d’étoiles, faisant de C-19 une relique remarquable de l’époque où les tout premiers groupes d’étoiles se formaient. Par conséquent, cette découverte améliore notre compréhension de la formation des étoiles et des amas d’étoiles qui sont apparus peu après l’apparition de l’astre du jour. Big Bang et fournit un laboratoire naturel proche de chez nous pour étudier les plus anciennes structures des galaxies.

“Cet artefact des temps anciens ouvre une fenêtre directe et unique sur les premières époques de la formation des étoiles dans l’Univers”, a conclu le cochercheur Julio Navarro de l’Université de Victoria. “Alors que les astronomes peuvent regarder les galaxies les plus lointaines pour étudier les débuts de l’Univers, nous savons maintenant qu’il est possible d’étudier les plus anciennes structures de notre propre galaxie comme des fossiles de ces temps anciens.”

“Cette collaboration internationale révèle de nouvelles connaissances étonnantes sur la structure, l’évolution et la formation de notre galaxie”, a ajouté Martin Still, directeur du programme Gemini à la National Science Foundation. “Les observatoires Gemini continuent de démontrer des avancées clés dans la compréhension de notre ciel nocturne, concernant l’écosystème cosmique et notre propre place dans l’Univers.”

Notes

1. Les courants stellaires sont des collections d’étoiles qui résidaient autrefois paisiblement dans des amas globulaires ou des galaxies naines, mais qui ont depuis été déchirées par les interactions gravitationnelles et déformées en de longs ruisseaux d’étoiles s’étirant le long de l’orbite originale de l’amas.
2. Le spectrographe Gemini Remote Access to CFHT ESPaDOnS (GRACES) est le résultat d’une coopération entre le télescope Canada-France-Hawaii (CFHT), Gemini et le CNRC-Herzberg (Canada). Il combine la grande surface collectrice du télescope Gemini Nord avec le haut pouvoir de résolution et le haut rendement du spectrographe GRACES. ESPaDOnS du spectrographe du TCFH, afin d’offrir une spectroscopie à haute résolution dans toutes les longueurs d’onde optiques. Ceci est possible grâce à une alimentation en fibre optique de 270 mètres de long du télescope Gemini Nord vers ESPaDOnS.
3. Les astronomes utilisent le terme “métaux” pour désigner les éléments plus lourds que l’hélium. Comme la plupart de la matière conventionnelle de l’Univers est constituée des deux éléments les plus légers, l’hydrogène et l’hélium, le terme “métaux” est un raccourci pratique pour décrire tous les autres éléments. Par exemple, notre Soleil a une métallicité de 0,012, ce qui signifie que seulement 1,2 % du Soleil est constitué d’éléments plus lourds que l’hélium (principalement l’oxygène, le carbone et le fer).
4. Les éléments plus lourds que l’hélium se forment principalement par nucléosynthèse stellaire – la création d’éléments chimiques par fusion au cœur des étoiles. À la fin de la vie des étoiles, les éléments lourds qu’elles ont créés sont rejetés dans l’Univers et incorporés dans de nouvelles étoiles. Par conséquent, les vieilles étoiles du début de l’Univers ont tendance à avoir des métallicités plus faibles que les étoiles plus jeunes, qui se sont formées récemment dans des environnements relativement riches en métaux.
5. Le vaisseau spatial Gaia de l’Agence spatiale européenne a été lancé en 2013 avec pour mission de créer une carte tridimensionnelle précise de plus d’un milliard d’étoiles, notamment en cartographiant les emplacements, les mouvements, les compositions et les températures de ces étoiles.
6. Les observations de Gemini faisaient partie d’une Grandes et longues observationsprogramme dirigé par Kim Venn de l’Université de Victoria (Canada). Ces programmes sont attribués à une poignée d’astronomes chaque année en prévision d’un impact scientifique significatif et d’une meilleure collaboration au sein de la communauté astronomique.
7. Les observations Gemini ont révélé que les rapports sodium-magnésium dans les étoiles C-19 variaient d’un facteur trois, ce qui est typique des étoiles des anciens amas globulaires (probablement dû à la combustion d’hydrogène à haute température) et n’est pas observé dans les galaxies naines ordinaires.

Référence : “A stellar stream remnant of a globular cluster below the metallicity floor” par Nicolas F. Martin, Kim A. Venn, David S. Aguado, Else Starkenburg, Jonay I. González Hernández, Rodrigo A. Ibata, Piercarlo Bonifacio, Elisabetta Caffau, Federico Sestito, Anke Arentsen, Carlos Allende Prieto, Raymond G. Carlberg, Sébastien Fabbro, Morgan Fouesneau, Vanessa Hill, Pascale Jablonka, Georges Kordopatis, Carmela Lardo, Khyati Malhan, Lyudmila I. Mashonkina, Alan W. McConnachie, Julio F. Navarro, Rubén Sánchez-Janssen, Guillaume F. Thomas, Zhen Yuan et Alessio Mucciarelli, 5 janvier 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04162-2

L’équipe est composée de Nicolas F. Martin (Observatoire astronomique de Strasbourg), Kim A. Venn (Université de Victoria), David S. Aguado (Université de Cambridge, Instituto de Astrofíisica de Canarias, et Universitá degli Studi di Firenze), Else Starkenburg (Université de Groningen), Jonay I. González Hernández (Instituto de Astrofísica de Canarias et Universidad de La Laguna), Rodrigo A. Ibata (Université de Strasbourg), Piercarlo Bonifacio (Observatoire de Paris), Elisabetta Caffau (Observatoire de Paris), Federico Sestito (Université de Victoria), Anke Arentsen (Université de Strasbourg), Carlos Allende Prieto (Instituto de Astrofísica de Canarias et Universidad de La Laguna), Raymond G. Carlberg (Université de Toronto), Sebastien Fabbro (Université de Victoria et NRC Herzberg Astronomy & ; Astrophysique), Morgan Fouesneau (Max-Planck-Institut für Astronomie), Vanessa Hill (Université Côte d’Azur), Pascale Jablonka (École Polytechnique Fédérale de Lausanne et Observatoire de Paris), Georges Kordopatis (Université Côte d’Azur), Carmela Lardo (Università degli Studi di Bologna), Khyati Malhan (Université de Stockholm), Lyudmila I. Mashonkina (Académie des Sciences de Russie), Alan W. McConnachie (NRC Herzberg Astronomy & ; Astrophysics), Julio F. Navarro (University of Victoria), Rubén Sánchez Janssen (UK Astronomy Technology Centre), Guillaume F. Thomas (Instituto de Astrofíisica de Canarias et Universidad de La Laguna), Zhen Yuan (Université de Strasbourg), et Alessio Mucciarelli (Università degli Studi di Bologna et INAF-Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna).