L'archéologie galactique permet des découvertes étonnantes. Ainsi, des étoiles naines situées dans la Voie lactée seraient les vestiges d'anciennes collisions entre notre Galaxie et des galaxies naines comme celle du Sagittaire.

Les astrophysiciens spécialisés dans des problèmes de cosmogonie cherchent à comprendre l'origine et l'évolution des astres. L'un des premiers problèmes qu'ils aient tenté de résoudre au cours du XX^e siècle est celui de l'origine du Système solaire (en se fondant sur les idées déjà avancées par Descartes, Kant et Laplace). Ils se sont ensuite attaqués à l'origine de la Voie lactéeet, plus généralement, des galaxies. Les progrès sur tous ces fronts de la connaissance n'ont véritablement commencé à être rapides que depuis les années 1970, aussi bien avec la montée en puissance des ordinateurs qu'avec l'accroissement exponentiel des données observationnelles.

On sait que les collisions de planétésimaux et les perturbations gravitationnelles entre les protoplanètes puis les planètes ont joué un rôle majeur dans la naissance puis l'évolution du Système solaire. Aujourd'hui, les tailles et compositions des planètes et des autres petits corps célestes, mais surtout leurs paramètres orbitaux (qu'il s'agisse d'astéroïdes, de planètes naines ou de comètes), sont des indications précieuses pour comprendre la genèse et l'évolution du Système solaire, qui semblent avoir été marquées par des migrations planétaires. L'étude des populations de valeurs pour les distances au Soleil, les excentricités, les inclinaisons par rapport au plan invariant du Système solaire (ou plus exactement le plan de l'écliptique) permet d'avoir accès à une fabuleuse mémoire de l'histoire des planètes, qui est inscrite et conservée dans les orbites des corps célestes.

Une simulation des rencontres entre la galaxie naine du Sagittaire et la Voie lactée. Des courants d'étoiles dus aux forces de marée ont résulté de ces rencontres. Le phénomène durerait depuis quelques milliards d'années. © chriswpurcell

La galaxie du Sagittaire à l'origine des bras de la Voie lactée ?

Ce rôle très important de la mécanique céleste pour la cosmogonie solaire se retrouve à l'échelle de la Voie lactée et des galaxies. Nous avons bien progressé depuis les travaux pionniers de Hubble dans l'exploration du royaume des nébuleuses. Nous voyons les galaxies entrer en interaction, se frôler en s'arrachant de gigantesques courants d'étoiles sous l'influence de leurs forces de marée réciproques et parfois entrer en collision jusqu'à la fusion. Cela nous a permis de comprendre qu'au moins un des processus de croissance des galaxies était similaire à celui des planètes, avec des phénomènes d'accrétion.

Du point de vue de la mécanique céleste, les galaxies sont des sortes de gaz autogravitants d'étoiles que l'on peut décrire par la théorie cinétique des gaz mais qui se comportent aussi un peu comme des corps fluides. Ainsi, les bras et les barres des galaxies sont interprétés comme des équivalents des ondes et des vagues des océans qui concentrent les étoiles. Lorsqu'une petite galaxie entre en collision avec une grande galaxie, comme une spirale telle que la Voie lactée, elle peut y provoquer l'équivalent des ronds dans l'eau naissant de la chute d'une pierre dans une mare. En théorie, si l'on détermine assez précisément les positions et les vitesses d'une large population d'étoiles dans la Voie lactée, on peut donc en tirer des conclusions sur les évènements passés qui l'on affectée, en particulier certaines de ces collisions devraient laisser des traces dans les orbites des populations d'étoiles.

Les astronomes le savent bien, et cela fait un moment déjà qu'ils ont entrepris de faire de l'archéologie galactique avec la Voie lactée. On attend beaucoup des observations astrométriques des positions et vitesses des étoiles que permet le satellite Gaia. Mais on peut toujours faire des découvertes intéressantes avec des télescopes au sol.

En voici une nouvelle illustration avec un article déposé sur arXiv par une équipe d'astronomes états-uniens. Les chercheurs ont utilisé des données collectées à l'aide du fameux télescope du Sloan Digital Sky Survey (SDSS). En l'occurrence, la distribution spatiale d'environ 3,6 millions d'étoiles de type K et M, donc des naines respectivement orange et rouges, s'est révélée bavarde. Des zones de surdensité concentrique ont émergé de l'analyse de ces données, preuve de la présence d'impacts passés dans la « mare » galactique.

Selon les chercheurs, l'un de ces impacts pourrait bien avoir été causé par la collision survenue il y a environ 0,85 milliard d'années entre la Voie lactée et la galaxie naine du Sagittaire. Il s'agit d'une galaxie satellite de la Voie lactée d'environ 10.000 années-lumière de diamètre et qui se trouve actuellement à 80.000 années-lumière de la Terre, sur une orbite polaire à environ 50.000 années-lumière du centre de la Voie lactée. La nature de cette galaxie fait encore l'objet de nombreux débats car on ne sait pas très bien s'il s'agit d'une galaxie elliptique ou d'une galaxie sphéroïdale. Des simulations suggèrent qu'elle est à l'origine des bras de la Voie lactée. Ses forces de marée auraient excité les modes des ondes à l'origine de ces concentrations d'étoiles lors de son précédent passage à travers notre Galaxie. En tout état de cause, la galaxie du Sagittaire semble à l'agonie, lentement démantelée par les forces de marée de la Voie lactée.

POUR EN SAVOIR PLUS

Le mystérieux bulbe central de notre galaxie

Article de Laurent Sacco publié le 29/04/2016

Et si les orbites et la composition chimique précise des étoiles de la Voie lactée gardaient en mémoire l'histoire de notre galaxie ? Ce devrait être le cas et la mission Gaia, lancée en 2013, devrait apporter son lot de révélations. En attendant, des astrophysiciens ont isolé une population de vieilles étoiles dans le bulbe central qui pourrait bien en dire long sur son histoire primitive.

Lancé le 19 décembre 2013, le satellite Gaia, de l'Agence spatiale européenne (Esa), a déjà effectué une première campagne complète d'observation. Le premier bilan de ses mesures, et donc des découvertes qui vont avec, est attendu à la fin de l'été 2016. Elles sont d'une précision inégalée et concernent les positions, distances, mouvements et propriétés physiques de plus d'un milliard d'étoiles de la Voie lactée. En combinant ces données astrométriques, photométriques et spectroscopiques, Gaia permettra une étude détaillée de notre galaxie pour en savoir plus sur sa structure en trois dimensions, sa cinématique, son origine et son évolution.

En clair, l'un des objectifs scientifiques de Gaia est de nous permettre de faire de l'archéologie galactique. Tout comme les strates de la Terre gardent en mémoire l'histoire de son activité tectonique ou de son évolution chimique, des populations d'étoiles avec des compositions spécifiques doivent garder la mémoire de l'évolution de la Voie lactée, de ses collisions avec d'autres galaxies - parfois accompagnées de fusions - et des flambées de nouvelles étoiles.

Une vidéo de présentation du satellite Gaia et de sa mission scientifique. © Cnes, YouTube

Quand la Voie lactée n'avait pas de bras

Une publication d'une équipe internationale d'astronomes, sur arXiv, donne un avant-goût de ce que nous révélera Gaia. Les chercheurs ont utilisé le spectrographe AAOmega équipant le Télescope anglo-australien (AAT pour Anglo-Australian Telescope) situé à l'observatoire de Siding Spring, en Australie, pour étudier de plus près les étoiles du centre la Voie lactée.

Au centre de notre galaxie (une spirale barrée), réside un bulbe. De forme ellipsoïdale, il aurait entre 7.000 et 15.000 années-lumière de diamètre et contiendrait environ 5 % de la matière visible contre 90 % dans le disque et 5 % dans le halo. Il existe toute une théorie pour expliquer la formation de la barre et des bras spiraux dans le gaz autogravitant d'étoiles du disque dans la Voie lactée.

Le bulbe contient principalement des vieilles étoiles, qui appartiennent à la population « deux », c'est-à-dire qu'elles sont un peu enrichies en noyaux lourds, ceux formés par la première génération d'étoiles nées dans le cosmos observable. En outre, les orbites sont dispersées autour du centre de la Galaxie et ne sont pas aussi régulières que celles dans son disque. Toutes ces caractéristiques laissent penser depuis un certain temps que la formation du bulbe est très ancienne et que sa structure garde la mémoire des fusions chaotiques de galaxies ayant fait croître la Voie lactée.

Regard sur un monde galactique disparu grâce aux RR Lyrae

En scrutant donc plus attentivement ce bulbe, les chercheurs ont mis en évidence une population bien particulière d'étoiles pauvres en éléments lourds, vieilles d'au moins 10 milliards d'années et rassemblées au cœur du bulbe dans une région dont la taille est d'environ 2.000 années-lumière. Il s'agit d'étoiles variables bien connues, les RR Lyrae, utilisées comme chandelles standard pour mesurer les distances dans la Voie lactée. Moins massives que les céphéides (qui permettent de déterminer de grandes distances, celles de galaxies proches de la nôtre), les RR Lyrae sont donc plus nombreuses mais moins lumineuses.

Les vitesses de plusieurs centaines de ces astres ont donc été mesurées. Cependant, alors que les directions des parcours des orbites sont très similaires pour la majorité des étoiles dans la barre et le bulbe de notre galaxie, ce n'est pas le cas pour ces RR Lyrae. Selon les astronomes, cela indiquerait qu'elles datent vraiment de l'époque où la Voie lactée était en train de se former. Mieux, elles garderaient la mémoire de ce qui s'est passé avant la naissance de la barre de la Galaxie.

L'étude encore plus complète de cette population d'étoiles, notamment en augmentant la taille de l'échantillon et en déterminant les compositions chimiques précises, devrait donc permettre de tirer profit de cette fenêtre ouverte sur le passé lointain de la Voie lactée pour mieux comprendre la formation et l'évolution des galaxies.

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