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Près d’un million d’étoiles à compter : cartographier l’histoire de la Voie lactée, et au-delà, avec APOGEE

Le 6 décembre 2021 les scientifiques du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ont publié le recensement le plus détaillé jamais réalisé des étoiles de notre galaxie, la Voie lactée, avec la diffusion complète des données de l’Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE).

"Au cours de la dernière décennie, nous nous sommes efforcés de cartographier la Voie lactée et de mesurer les propriétés extrêmement détaillées des étoiles qui la composent", a déclaré Steven Majewski, de l’université de Virginie, qui est le chercheur principal de l’expérience APOGEE depuis 2006. "Voir cette phase du SDSS s’achever est extrêmement gratifiant, surtout si l’on considère que nous avons finalement recueilli des données sur plus de dix fois plus d’étoiles que ce que nous avions initialement prévu."

APOGEE fonctionne en mesurant les spectres, une sorte d’arc-en-ciel détaillé, des étoiles dans sa partie infrarouge. En travaillant dans la lumière infrarouge, les instruments d’APOGEE peuvent scruter les épais nuages de poussière qui obscurcissent l’intérieur de la Voie lactée pour obtenir une vue plus complète de notre propre galaxie.

L’expérience APOGEE a mesuré plus de deux millions de spectres de près de 700 000 étoiles individuelles, ce qui en fait le plus grand échantillon spectroscopique d’étoiles à haute résolution dans le proche infrarouge jamais observé. Comme pour tous les projets antérieurs du SDSS, l’ensemble des données est maintenant en ligne et peut être utilisé par tous.

Les astronomes peuvent lire chacun de ces spectres stellaires comme un code-barres, révélant les éléments chimiques présents dans l’étoile. Les éléments que nous pouvons détecter avec APOGEE comprennent le carbone, l’azote, l’oxygène et le fer. En fait, les chercheurs d’APOGEE ont utilisé les spectres pour cartographier les éléments qui composent plus de 97 % du corps humain.

Les six éléments les plus courants sur Terre participant à la Vie (dont plus de 97 % de la masse d’un corps humain) - le carbone, l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, le soufre et le phosphore - ont tous été détectés dans les étoiles par le spectrographe APOGEE. Les couleurs des spectres montrent des creux, dont la taille révèle la quantité de ces éléments dans l’atmosphère d’une étoile. Le corps humain sur la gauche utilise le même code couleur pour évoquer le rôle prépondérant que ces éléments jouent dans différentes parties de notre corps, de l’oxygène dans nos poumons au phosphore dans nos os (bien qu’en réalité tous les éléments se trouvent dans tout le corps). En arrière-plan, une impression d’artiste de la Galaxie, avec des points bleus pour montrer les mesures APOGEE de l’abondance d’oxygène dans différentes étoiles ; des points plus clairs indiquent une abondance d’oxygène plus élevée. Crédit : Dana Berry/SkyWorks Digital Inc ; collaboration SDSS

Les six éléments les plus courants sur Terre participant à la Vie (dont plus de 97 % de la masse d’un corps humain) - le carbone, l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, le soufre et le phosphore - ont tous été détectés dans les étoiles par le spectrographe APOGEE. Les couleurs des spectres montrent des creux, dont la taille révèle la quantité de ces éléments dans l’atmosphère d’une étoile. Le corps humain sur la gauche utilise le même code couleur pour évoquer le rôle important que ces éléments jouent dans différentes parties de notre corps, de l’oxygène dans nos poumons au phosphore dans nos os (bien qu’en réalité tous les éléments se trouvent dans tout le corps). En arrière-plan, une impression d’artiste de la Galaxie, avec des points bleus pour montrer les mesures APOGEE de l’abondance d’oxygène dans différentes étoiles ; des points plus clairs indiquent une abondance d’oxygène plus élevée. Crédit : Dana Berry/SkyWorks Digital Inc ; collaboration SDSS

Rachael Beaton, présidente du groupe de travail scientifique d’APOGEE, explique : "En étudiant attentivement la quantité de chacun de ces éléments que nous observons dans chaque étoile, nous pouvons déterminer l’emplacement de chaque étoile dans le disque, le bulbe ou le halo de la Voie lactée, ainsi que l’âge de chaque étoile".

APOGEE n’est pas seulement la plus grande étude de ce type, elle offre également une vue spéciale de la Voie lactée sur deux hémisphères. L’utilisation de deux instruments identiques - l’un à l’observatoire d’Apache Point, au Nouveau-Mexique (USA), et l’autre à l’observatoire de Las Campanas, au Chili - permet aux scientifiques du SDSS de cartographier les étoiles de toutes les parties de la Voie lactée de manière uniforme.

"Le fait de disposer d’instruments identiques au nord et au sud nous a permis de cartographier toutes les parties de notre galaxie", explique Rachel Beaton. "Le centre de la Voie lactée, et ses voisins les grands et petits nuages de Magellan, ne peuvent être vus que depuis l’hémisphère sud, tandis que depuis l’hémisphère nord, nous voyons les parties extérieures de la galaxie".

Cette image montre les deux télescopes du SDSS dans leurs positions approximatives sur un globe, avec une image de la Voie lactée montrant quelles parties peuvent être vues par chaque télescope. Le prochain relevé SDSS-IV étendra sa portée en utilisant à la fois le télescope de la Fondation Sloan à l’observatoire Apache Point au Nouveau Mexique (USA) et le télescope du Pont à l’observatoire de Las Campanas au Chili, comme indiqué à gauche du globe. En raison de l’orientation de l’axe de la Terre par rapport au disque de la Voie lactée, le télescope nord observera une partie très différente de la Voie lactée (ombrée en bleu) que le télescope sud (ombré en vert), qui aura une excellente vue sur les régions du centre galactique. Les sphères imbriquées montrent la plage de distances du Soleil que le relevé de la Voie lactée atteindra, en fonction de la stratégie de relevé et de la densité d’étoiles et de poussière le long de la ligne de visée. Certaines observations atteindront la sphère la plus interne, tandis que les observations les plus profondes s’étendront à la sphère la plus externe et à nos galaxies naines voisines, les Nuages de Magellan, montrés au bas de l’image. Crédit : Dana Berry / SkyWorks Digital, Inc. et la collaboration SDSS


Cette image montre les deux télescopes du SDSS dans leurs positions approximatives sur un globe, avec une image de la Voie lactée montrant quelles parties peuvent être vues par chaque télescope. Le prochain relevé SDSS-IV étendra sa portée en utilisant à la fois le télescope de la Fondation Sloan à l’observatoire Apache Point au Nouveau Mexique (USA) et le télescope du Pont à l’observatoire de Las Campanas au Chili, comme indiqué à gauche du globe. En raison de l’orientation de l’axe de la Terre par rapport au disque de la Voie lactée, le télescope nord observera une partie très différente de la Voie lactée (ombrée en bleu) que le télescope sud (ombré en vert), qui aura une excellente vue sur les régions du centre galactique. Les sphères imbriquées montrent la plage de distances du Soleil que le relevé de la Voie lactée atteindra, en fonction de la stratégie de relevé et de la densité d’étoiles et de poussière le long de la ligne de visée. Certaines observations atteindront la sphère la plus interne, tandis que les observations les plus profondes s’étendront à la sphère la plus externe et à nos galaxies naines voisines, les Nuages de Magellan, montrés au bas de l’image. Crédit : Dana Berry / SkyWorks Digital, Inc. et la collaboration SDSS

Cette vue unique des deux hémisphères a permis à APOGEE d’obtenir de nombreux résultats scientifiques. Par exemple, les résultats d’APOGEE ont permis de séparer les étoiles de la Voie lactée en deux populations chimiquement distinctes en fonction de l’endroit et de la manière dont elles se sont formées. La composition chimique des étoiles révèle les types de nuages interstellaires à partir desquels elles se sont formées et la manière dont ces nuages interstellaires ont été à leur tour enrichis chimiquement par les générations d’étoiles précédentes. L’un des groupes d’étoiles de la Voie lactée montre qu’il s’est formé à partir de nuages enrichis par de nombreuses formations d’étoiles rapides. Ce groupe est plus étendu verticalement que l’autre population, qui s’est formée à partir de nuages enrichis par une formation d’étoiles plus lente.

Le spectre infrarouge de sept étoiles tel que mesuré par APOGEE, chaque spectre est un exemple des sept principaux type spectraux. Les spectres sont organisés en une séquence de températures, avec l’étoile la plus chaude en haut. L’axe vertical montre à quel point les étoiles sont brillantes ; l’axe horizontal montre la longueur d’onde de la lumière, avec des longueurs d’onde plus longues à droite. Les « vallées » de chaque spectre révèlent la présence de divers atomes et molécules dans l’étoile. Crédit : Steven Majewski and the SDSS collaboration. Crédit : Steven Majewski et la collaboration SDSS.

D’autres résultats d’APOGEE révèlent la façon dont les étoiles se déplacent dans la Voie lactée, ou identifient les étoiles qui ont rejoint notre galaxie lors d’événements particuliers, lorsque des galaxies plus petites ont été mangées par notre grande galaxie. Les spectres d’APOGEE ont également été utilisés pour révéler de nouvelles informations sur le fonctionnement des étoiles elles-mêmes : par exemple, de nouvelles mesures de la fraction d’étoiles se trouvant dans des systèmes binaires ou triples, ou la découverte d’objets rares intéressants.

Le spectre infrarouge de sept étoiles tel que mesuré par APOGEE, l’un de chacun des sept principaux types spectraux. Les spectres sont organisés en une séquence de températures, avec l’étoile la plus chaude en haut. L’axe vertical montre à quel point les étoiles sont brillantes ; l’axe horizontal montre la longueur d’onde de la lumière, avec des longueurs d’onde plus longues à droite. Les « vallées » de chaque spectre révèlent la présence de divers atomes et molécules dans l’étoile. Crédit : Steven Majewski and the SDSS collaboration. Crédit : Steven Majewski et la collaboration SDSS.

Un autre résultat inattendu d’APOGEE est que sa grande base de données d’étoiles, combinée aux avancées en astrophysique stellaire du télescope spatial Kepler, a permis aux astronomes de découvrir un nouvel outil pour déterminer l’âge des étoiles. Grâce à de nouvelles techniques comme celle-ci, les scientifiques d’APOGEE ont réalisé des avancées majeures dans l’identification d’ensembles d’étoiles présentant des caractéristiques chimiques presque identiques à travers la Voie lactée, contribuant ainsi à révéler l’histoire de la formation et de l’évolution de notre galaxie.

Mike Blanton, directeur du SDSS-IV, déclare : "Lorsque APOGEE a commencé il y a dix ans, nous savions qu’il nous donnerait une vue unique de l’histoire de la Voie lactée, mais nous ne savions pas que nous serions en mesure d’étendre les observations à l’hémisphère sud à Las Campanas pour voir ses parties internes, et nous ne savions pas que nos scientifiques seraient capables de démêler autant de détails de son histoire. J’attends avec impatience les autres surprises que la communauté astronomique trouvera dans les données, maintenant qu’elles sont toutes publiques, ainsi que les nouvelles découvertes qui découleront du programme SDSS-V Milky Way Mapper."


Contacts  :
• Steven Majewski, Université de Virginie, srm4n chez virginia.edu, 434-924-4893
• Rachel Beaton, Université de Princeton, rbeaton chez princeton.edu, 434-760-1404
• Michael Blanton, directeur du SDSS-IV, L’Université de New York, michael.blanton chez gmail.com, 212-998-7770
• Karen Masters, porte-parole du SDSS-IV, Collège Haverford, klmasters chez haverford.edu, 610-795-6066
• Jordan Raddick, responsable de l’information publique du SDSS-IV, raddick chez jhu.edu, 443-570-7105

Contact France :
• Annie Robin, Institut UTINAM, Université Bourgogne-Franche-Comté, OSU-THETA, annie.robin chez obs-besancon.fr, 03 81 66 69 41