Nouvelle estimation de l'âge du plus vieil amas globulaire de notre galaxie

L’âge du plus vieil amas globulaire de notre galaxie, M92, vient d’être réévalué par une nouvelle méthode. Le résultat obtenu confirme que M92 est vraiment très vieux puisqu’à l’incertitude près, il a l’âge de l’Univers lui-même… L’étude est parue dans The Astronomical Journal.

L'âge absolu d'une population stellaire simple est difficile à mesurer dans la pratique, car il nécessite une compréhension des incertitudes liées à divers processus d'évolution stellaire, ainsi que des incertitudes liées à la distance, au rougissement et à la composition des étoiles. Par conséquent, la plupart des études se concentrent uniquement sur un âge relatif en supposant que les calculs de l'évolution stellaire sont exacts et en utilisant des techniques de détermination de l'âge qui sont relativement indépendantes de la distance et de l'assombrissement.

Plusieurs estimations absolues de l’âge de M92 ont néanmoins été effectuées depuis une vingtaine d’années. Salaris & Weiss en utilisant la luminosité de l'extinction de la séquence principale, combinée à la différence de couleur entre l'extinction et la base de la branche des étoiles géantes, avaient trouvé en 2002 un âge de 12,3 ± 0,9 milliards d’années. En utilisant la luminosité de la coupure de la séquence principale, mais une estimation différente de la distance, Carretta et al. avaient trouvé deux ans auparavant que l'âge de M92 devait être de 14,8 ± 2,5 Gigannées... (plus que l’âge de l’Univers, mais avec une grosse incertitude). En utilisant la forme de la région de la coupure de la séquence principale comme indicateur d'âge ainsi qu'une nouvelle estimation de la distance et du rougissement, VandenBerg et al. avaient quant à eux estimé en 2002 l'âge de M92 à 13,5 ± 1,0 Gigannées. En 2009, Marín-Franch et al. , en analysant le diagramme couleur-magnitude pour effectuer des ajustements relatifs entre amas, ont trouvé l'âge de M92 à 13,18 ± 0,51 Gigannées.

Puis en 2010, Cecco et al. ont combiné les données de trois systèmes photométriques différents  et, en utilisant la morphologie et le nombre d'étoiles dans la région de coupure de la séquence principale, la branche des géantes rouges, et la branche horizontale, ont trouvé que l'âge de M92 était de 11 ± 1.5 Gigannées.

On le voit, la détermination de l’âge d’un amas globulaire est une tâche difficile et les résultats peuvent être assez différents avec des incertitudes systématiques et statistiques non négligeable. En général, l'incertitude dans la détermination de l'âge des amas globulaires prend en compte les incertitudes dans les propriétés observées d'un amas globulaire (distance, rougissement et composition), mais n'inclut pas l'incertitude associée aux modèles stellaires théoriques et aux isochrones qui sont utilisés pour déterminer l'âge. Mais Jiaqi Ying (Dartmouth College) et ses collaborateurs ont choisi de prendre le taureau par les cornes et d’évaluer un âge absolu pour M92 en prenant en compte toutes les incertitudes qui entrent en jeu dans cette détermination. Ils ont construit 20 000 ensembles d'isochrones théoriques par simulation Monte Carlo. Les isochrones décrivent l’évolution de la distribution de luminosité et de couleur en fonction de l’âge d’une population d’étoiles de masses différentes. Deux étoiles de masse différentes ayant le même âge ne se ressemblent pas tout à fait puisque leur évolution n’a pas avancé exactement au même rythme. En fonction des caractéristiques de luminosité et de couleur d’une grande population d’étoiles, on peut reconstruire une courbe isochrone en traçant dans un graphe, pour un âge donné de la population (on suppose que les étoiles de l’amas sont nées au même moment), comment se répartissent les étoiles avec en abscisse une bande de longueur d’onde (un certain filtre du télescope Hubble) et en ordonnée une autre bande de longueur d’onde (un autre filtre de Hubble). Un âge donné produit une courbe différente dans ce graphe.

Pour chaque modèle, Ying et ces collaborateurs ont fait varier une grande série de paramètres physiques d'entrée utilisés dans les modèles d'évolution stellaire, comme les opacités, les taux de réaction nucléaire, les coefficients de diffusion, les conditions limites atmosphériques, l'abondance de l'hélium et le traitement de la convection. Ils explorent également les variations de la distance et du rougissement, ainsi que la métallicité globale. Et ils ont construit les courbes isochrones pour un âge compris entre 8 et 16 milliards d’années (qui peut le plus peut le moins !).

Une fois qu’ils ont construits les isochrones théoriques grâce à la simulation qui prend en compte toutes les incertitudes de chaque paramètre, les chercheurs n’avaient plus qu’à comparer avec les observations réelles du télescope Hubble dans les deux bandes de longueurs d’ondes utilisées. Ils trouvent que 1100 isochrones sur les 20 000 ensembles d'isochrones construits se situent à moins de 3σ de la moyenne de la distribution observée par le télescope Hubble. L'âge de M92 est alors déterminé en faisant la moyenne de ces 1100 isochrones.

Ying  et ses collègues trouvent que l'âge de M92 (et donc de notre galaxie) est de 13,80 ± 0,75 milliards d’années... Ils obtiennent donc un âge monumental qui est l’âge estimé du Big Bang, mais avec une incertitude de 750 millions d’années, ce qui fait 5,4% sur l'âge absolu. D’ailleurs, cette incertitude globale est dominée par l'incertitude sur la distance à M92 (∼80% du budget d'erreur) ; les chercheurs notent que parmi les autres sources d’incertitudes, seuls la métallicité totale, l'abondance des éléments α, et le traitement de la diffusion de l'hélium contribuent de manière significative à l'erreur totale.

Si on synthétise les différentes valeurs de l’âge de M92 qui ont été calculées depuis 2000, on a donc :

• 2000 : 14,8 ± 2,5 Gigannées
• 2002 : 12,3 ± 0,9 Gigannées
• 2002 : 13,5 ± 1,0 Gigannées
• 2009 : 13,18 ± 0,51 Gigannées
• 2010 : 11,0 ± 1,5 Gigannées
• 2023 : 13,80 ± 0,75 Gigannées

Cette nouvelle valeur est compatible avec toutes les valeurs antérieures exceptée celle de Cecco et al de 2010. M92 serait donc bien l’un des plus vieux amas globulaires que l’on connaisse et nous donne l’âge de notre galaxie, qui s’avère bien vieille elle aussi…

La méthode développée par Ying et ses collaborateurs semble si efficace que les auteurs prévoient déjà de l’appliquer pour déterminer l’âge d’autres amas globulaires de notre galaxie réputés très vieux, étant donné leur pauvreté en éléments lourds. Cela sera difficile de faire plus vieux que M92.

Source

The Absolute Age of M92

Jiaqi Ying et al.

The Astronomical Journal, Volume 166, Number 1 (17 june 2023)

https://doi.org/10.3847/1538-3881/acd9b1

Illustrations

1. M92 imagé par le télescope Hubble (ESA/Hubble & NASA; Acknowledgment: Gilles Chapdelaine)

2. Les 20000 isochrones calculées par Ying et al.