Une équipe d'astrophysiciens vient de retracer l'âge précis de près de 250 000 étoiles sous-géantes de la Voie Lactée, qui sont situées dans le halo interne et le disque de la Voie lactée, révélant la séquence des événements qui ont donné naissance à notre galaxie. Leur étude est publiée dans Nature.
Depuis le début des années 1950, des recherches actives sont menées pour déterminer comment et quand les étoiles de notre galaxie se sont assemblées. On peut en apprendre beaucoup en examinant la composition chimique des étoiles, qui est déterminée par la date de naissance d'une étoile, c'est-à-dire le moment où elle s'est formée à partir des éléments chimiques qui étaient présents dans son voisinage.
Dans cette quête, la phase sous-géante de l'évolution d'une étoile offre l'horloge stellaire la plus précise qui soit. Maosheng Xiang et Hans-Walter Rix (Max Planck Institut für Astronomie) ont utilisé ce type d'étoiles et la mesure de leur métallicité pour obtenir une image résolue dans le temps de l'histoire de la formation de la Voie Lactée.
Il a été démontré que le disque de la Voie lactée, était principalement peuplé d'étoiles dont la métallicité était proche de celle du Soleil, et qu'environ une étoile voisine sur 1 000 présentait une métallicité nettement inférieure, jusqu'à moins d'un pour cent du niveau solaire. Ces étoiles ont été reconnues comme faisant partie du halo de la Galaxie. C'est dans les années 1980 qu'une image plus détaillée de la structure de la Voie lactée a commencé à émerger, avec la compréhension que le disque est composé d'au moins deux populations : un disque mince, qui inclut le Soleil, et un disque épais, qui est plus étendu verticalement. Ces deux populations sont toutes les deux en rotation rapide autour du centre galactique, mais elles diffèrent par leurs métallicités moyennes. Les étoiles du disque mince ont des métallicités proches de celle du Soleil, alors que celles du disque épais ont des valeurs environ quatre fois plus faibles. Plus tard, des études détaillées des étoiles du disque épais ont montré qu'une petite fraction d'entre elles a une métallicité encore plus faible, au moins 150 fois plus faibles que celle du Soleil. Il a également été démontré en 2007 par Carollo et al. que le halo lui-même comprend au moins deux populations, un halo interne et un halo externe, qui ont des propriétés cinématiques et chimiques un peu différentes. Depuis quelques années, la mission européenne Gaia a apporté des données d'une très grande précision pour plus d'un milliard d'étoiles à travers la Galaxie, affinant considérablement les analyses des populations du disque et du halo. Ces données fournissent des mesures astrométriques, notamment la distance à chaque étoile, ainsi que le mouvement angulaire des étoiles sur le ciel. Lorsqu'elles sont combinées avec les données d'études spectroscopiques à grande échelle telles que le Sloan Digital Sky Survey et l'étude LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope), les données Gaia permettent aux astronomes d'identifier et de caractériser l'origine des différents éléments structurels du disque et du halo avec une bonne confiance.
Mais il restait une pièce cruciale à déterminer : l'âge des étoiles. Les astrophysiciens avaient besoin d'un outil permettant de déterminer l'âge d'un grand nombre d'étoiles individuelles dans le halo et le disque, dans le but de produire une chronologie des multiples événements qui ont conduit à la Voie Lactée telle qu'on l'observe aujourd'hui. Comme une étoile se forme à partir du gaz de son environnement immédiat, elle enregistre un instantané de l'abondance élémentaire de ce gaz à l'endroit et au moment de sa naissance. Et les abondances des éléments à la surface des étoiles de faible masse ne changent pas au cours de leur vie. En déterminant la date de naissance de chaque étoile, on peut alors reconstituer l'histoire de l'assemblage de la Galaxie.
Jusqu'à présent, des estimations de l'âge des étoiles ont été effectuées en utilisant diverses approches, avec une confiance et une précision croissantes, et toutes ces méthodes reposent sur notre compréhension du processus d'évolution stellaire, c'est-à-dire la manière dont une étoile change de structure au cours de sa vie, à mesure qu'elle fusionne son hydrogène en hélium dans son coeur.
La phase "sous-géante" des étoiles est marquée par un processus de contraction du coeur de l'étoile qui apparaît lorsque l'hydrogène vient à manquer. Cette phase est très brève, généralement quelques millions d'années, et se termine lorsque l'étoile entre dans la phase "géante" de son évolution, lorsque l'inflammation de l'hydrogène dans une coquille entourant le noyau entraîne une expansion rapide de ses couches externes. La phase sous-géante permet l'estimation la plus précise de l'âge d'une étoile, car sa luminosité est alors directement corrélée à son âge. Mais comme la phase sous-géante est très courte, ces étoiles sont difficiles à trouver.
Xiang et Rix ont exploité les données enregistrées par Gaia et LAMOST pour identifier 247 104 étoiles sous-géantes. Ils tracent un diagramme de la luminosité des étoiles en fonction de leur température de surface et peuvent directement le comparer à des isochrones théoriques (les lignes représentant des étoiles d'âge similaire à une métallicité donnée), des isochrones qui peuvent être utilisés directement pour dater les étoiles. Une fois que la métallicité d'une étoile est connue, la position de son isochrone indique son âge. Avec ce très grand échantillon d'étoiles datées, les chercheurs obtiennent une superbe horloge galactique.
En combinant cette datation avec les mesures de métallicité et leurs mouvements dans la Galaxie, Xiang et Rix distinguent deux populations stellaires différentes. Les chercheurs constatent que la distribution âge-métallicité stellaire p(τ, [Fe/H]) se divise en deux parties presque disjointes, séparées à l'âge τ ≃ 8 milliards d'années. La partie la plus jeune correspond à une phase de formation du disque galactique avec des preuves de migration radiale des orbites stellaires. L'autre partie correspond à une phase plus ancienne, lorsque le halo stellaire et le disque épais se sont formés. Xiang et Rix trouvent des preuves que le disque épais a commencé à se former il y a environ 13 milliards d'années, soit 800 millions d'années seulement après le Big Bang. Leurs données impliquent également que l'assemblage du halo galactique interne s'est terminé environ deux milliards d'années plus tard. D'après ces nouvelles données, la plupart des étoiles étaient donc déjà formées il y a environ 11 milliards d'années, ce qui coïncide avec le moment où le satellite Gaia-Sausage-Encelade a fusionné avec notre Galaxie.
L'interprétation la plus évidente de cette coïncidence selon eux est que la perturbation provenant de la galaxie satellite Gaia-Sausage-Encelade a fortement augmenté la formation d'étoiles du disque. Le pic de formation d'étoiles parmi les étoiles du disque il y a ~11 milliards d'années est cohérent avec des indications précédentes d'un tel pic de formation qui était basé uniquement sur les abondances chimiques. Par ailleurs, en utilisant la simulation IllustrisTNG, Wang et al. avaient montré en 2015 que les fusions et interactions de galaxies doivent effectivement jouer un rôle crucial dans l'afflux de gaz, pouvant résulter en de multiples épisodes de formation d'étoiles entrecoupés de phases de quiescence.
En plus de valider la théorie, l'approche innovante de l'estimation des dates de naissance des étoiles de Xiang et Rix est puissante car c'est une approche évolutive : au fur et à mesure que des nouvelles données seront obtenues sur de plus grands échantillons d'étoiles, l'image de l'histoire cosmologique de notre galaxie deviendra de plus en plus nette.
Source
A time-resolved picture of our Milky Way’s early formation history
Maosheng Xiang & Hans-Walter Rix
Nature 603 (23 march 2022)
Illustration
Diagramme âge-métallicité des 247104 étoiles sous-géantes étudiées, révélant deux populations distinctes (Xiang & Rix)
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