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Une nouvelle étude révèle qu’un seul épisode de formation d’étoiles a créé le bulbe central de la Voie lactée

Comme la plupart des galaxies spirales, la Voie lactée a en son centre une condensation d’étoiles à peu près sphérique appelée le bulbe. Comment le bulbe s’est formé est un mystère de longue date, de nombreuses études suggèrent qu’il s’est formé au fil du temps à travers de multiples épisodes de formation d’étoiles.

Cette nouvelle étude révèle que la majorité des étoiles du bulbe central de notre galaxie se sont formées en un seul épisode court de formation d’étoiles il y a plus de 10 milliards d’années. Pour arriver à cette conclusion, les astronomes ont étudié des millions d’étoiles sur 200 degrés carrés de ciel, soit une superficie équivalente à 1 000 pleines lunes. La richesse des données qui en résulte devrait alimenter de nombreuses autres études scientifiques. Le résultat contredit les études précédentes, plus limitées en quantité de données, suggérant deux épisodes ou plus de formation d’étoiles.

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Cette vidéo fait un zoom sur une vue du centre de notre galaxie, la Voie lactée, en commençant par une photo qui couvre 71 degrés du ciel et en se terminant sur la nouvelle photo obtenue par la Dark Energy Camera (DECam) à l’Observatoire interaméricain de Cerro-Tololo au Chili dans le cadre de cet étude. La nouvelle image couvre 0,5 sur 0,25 degrés (une zone environ deux fois plus large que la pleine lune) et contient plus de 180000 étoiles.

Notre galaxie, la Voie Lactée, a la forme de deux œufs au plat collés dos à dos. Un renflement central d’étoiles se trouve au milieu d’un disque d’étoiles. Bien que ce soit une caractéristique commune à de nombreuses galaxies spirales, les astronomes ont passé des décennies à se demander comment et quand le renflement central (appelé bulbe) de la Voie lactée aurait pu se former. Les étoiles dans le renflement sont-elles nées au début de l’histoire de notre galaxie, il y a 10 à 12 milliards d’années ? Ou le renflement s’est-il accumulé au fil du temps à travers plusieurs épisodes de formation d’étoiles ?

Certaines études ont trouvé des preuves d’au moins deux épisodes de formation d’étoiles, conduisant à des populations stellaires aussi âgées que 10 milliards d’années ou aussi jeunes que 3 milliards. À présent, une nouvelle étude complète de millions d’étoiles révèle que la plupart des étoiles situées au coeur des 1 000 années-lumière du centre de la Voie lactée se sont formées lorsqu’elle a été gorgée de gaz il y a plus de 10 milliards d’années. Ce processus pourrait avoir été déclenché par une simple accrétion de matériel primordial, ou par quelque chose de plus dramatique comme la fusion avec une autre jeune galaxie.

« De nombreuses autres galaxies spirales ressemblent à la Voie lactée et ont des bulbes similaires, donc si nous pouvons comprendre comment la Voie lactée a formé ses parties centrales, nous aurons une bonne idée de la façon dont les autres galaxies se forment probablement », a déclaré Christian Johnson du Space Telescope Science Institute de Baltimore, Maryland.

« Cette enquête nous donne une vue d’ensemble du bulbe d’une manière nouvelle que de nombreuses enquêtes précédentes n’ont pas été en mesure de faire », a ajouté le co-auteur Caty Pilachowski de l’Université de l’Indiana à Bloomington, Indiana.

Avoir l’air plus jeune que son âge

Pour parvenir à cette conclusion, l’équipe a étudié les compositions chimiques des étoiles. Comme beaucoup de stars hollywoodiennes, les étoiles dans le bulbe galactique semblent avoir subi un traitement cosmique au Botox - elles semblent plus jeunes qu’elles ne le sont. C’est parce qu’elles contiennent à peu près la même quantité d’éléments lourds (plus lourds que l’hydrogène et l’hélium) que le Soleil - ce que les astronomes appellent des métaux. C’est surprenant car les métaux mettent du temps à s’accumuler. Ils doivent être créés par des générations d’étoiles antérieures, éjectés par des vents stellaires ou des supernovas, puis incorporés dans les générations ultérieures.

Notre Soleil, âgé de 4,5 milliards d’années, est un nouveau venu, il est donc logique qu’il soit riche de métaux. En revanche, la plupart des vieilles étoiles de notre galaxie manquent d’éléments lourds. Et pourtant, les étoiles du bulbe sont enrichies en métaux malgré leur âge avancé.

« Quelque chose de différent s’est produit dans le bulbe. Les métaux s’y sont accumulés très, très rapidement, peut-être au cours des 500 premiers millions d’années de son existence », a déclaré l’auteur principal, Michael Rich, de l’Université de Californie à Los Angeles.

L’équipe a utilisé la luminosité mesurée des étoiles à différentes longueurs d’onde, en particulier dans l’ultraviolet, pour déterminer leur teneur en métal. On s’attend à ce que les étoiles qui se forment à des moments différents aient en moyenne des métallicités différentes. Au lieu de cela, ils ont découvert que les étoiles à moins de 1000 années-lumière du centre galactique présentaient une distribution de métaux regroupés autour d’une seule moyenne. Si les étoiles étaient des étudiants et que les métallicités étaient des notes américaines, les étoiles du bulbe auraient toutes une moyenne « C », plutôt qu’un groupe d’élèves « A » et un groupe d’étudiants « D ». Cela suggère que ces étoiles se sont formées lors d’un bref épisode de naissance d’étoiles.

Grandes images, Big Data

L’équipe a étudié une partie du ciel couvrant plus de 200 degrés carrés - une superficie approximativement équivalente à 1000 pleines lunes. Ils ont utilisé la caméra à énergie sombre (DECam) sur le télescope Victor M. Blanco de 4 mètres à l’observatoire interaméricain Cerro Tololo au Chili, un programme du NOIRLab de la NSF (National Science Fundation, USA). Cet appareil photo grand champ est capable de capturer 3 degrés carrés de ciel en une seule exposition.

L’équipe a collecté plus de 450 000 photographies individuelles qui leur ont permis de déterminer avec précision les compositions chimiques de millions d’étoiles. Un sous-échantillon de 70 000 étoiles a été analysé pour cette étude.

« Notre étude est unique car nous avons pu scanner une section continue du bulbe à des longueurs d’onde allant de l’ultraviolet au visible et au proche infrarouge. Cela nous permet de bien comprendre ce que sont les différents composants du bulbe et comment ils s’emboîtent », a déclaré Christian Johnson, du Space Science Institute à Baltimore.

La richesse des données collectées par cette enquête alimentera des études scientifiques supplémentaires. Par exemple, les chercheurs étudient la possibilité de mesurer les distances stellaires pour créer une carte 3D plus précise du bulbe. Ils prévoient également de rechercher des corrélations entre leurs mesures de métallicité et les orbites stellaires. Cette enquête pourrait localiser des « volées » d’étoiles avec des orbites similaires, qui pourraient être les restes de galaxies naines perturbées, ou identifier des signes d’accrétion comme des étoiles en orbite de sens contraire à la rotation de la galaxie.

L’histoire de la formation du bulbe de la Voie lactée est-elle unique ou commune à l’évolution des galaxies ? Pour répondre à cette question, les astronomes devront se pencher sur l’assemblage des galaxies dans le jeune univers lointain - une tâche pour laquelle le télescope spatial James Webb de la NASA a été spécialement conçu. « Avec Webb, nous aurons un siège au premier rang pour observer des galaxies comme notre Voie lactée se former », a déclaré Michael Rich, de l’université de Californie à Los Angeles.

L’étude Blanco DECam Bulge est nommée en l’honneur de Victor et Betty Blanco. Victor Blanco a été le premier directeur de l’Observatoire interaméricain de Cerro-Tololo au Chili ; lui et Betty Blanco ont également été les premiers à étudier le bulbe galactique et les nuages de Magellan à l’aide du télescope de 4 mètres de l’observatoire chilien.

Annie Robin et Nadège Lagarde, de l’Institut UTINAM et à l’OSU THETA à Besançon, sont partie prenante dans le projet, en particulier pour réaliser des simulations et pour l’interprétation des données.

Ces résultats sont rapportés dans deux articles complémentaires publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Liens :
https://media.stsci.edu/preview/file/science_paper/file_attachment/604/staa2426.pdf
https://media.stsci.edu/preview/file/science_paper/file_attachment/605/staa2393.pdf

Contacts :

  • Christian Johnson - Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland chjohnson1 chez stsci.edu
  • Michael Rich - University of California, Los Angeles - rmr chez astro.ucla.edu

Contacts en France  :

  • Annie Robin, Institut UTINAM, Besançon, annie.robin chez obs-besancon.fr
  • Nadège Lagarde, Institut UTINAM, Besançon, nadege.lagarde chez utinam.cnrs.fr
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Vue de la région centrale de la Voie lactée obtenue par la Dark Energy Camera (DECam) à l’Observatoire interaméricain de Cerro-Tololo au Chili, qui a servit à cette étude. Crédit : STScI-2020-56
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Zoom sur les régions centrales de la Voie lactée (video). Cette vidéo fait un zoom sur une vue du centre de notre galaxie, la Voie lactée, en commençant par une photo qui couvre 71 degrés du ciel et en se terminant sur une nouvelle photo obtenue par la Dark Energy Camera (DECam) à l’Observatoire interaméricain de Cerro-Tololo au Chili. La nouvelle image couvre 0,5 sur 0,25 degrés (une zone environ deux fois plus large que la pleine lune) et contient plus de 180000 étoiles. Crédit : https://media.stsci.edu/preview/video/1294/news_release/2020-56.

Cette recherche a été partiellement soutenue par la National Science Foundation grâce à la subvention AST-1413755, ainsi que par le Space Telescope Science Institute, Baltimore, la NASA, et l’INSU-France.