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Publié le 10 Janvier 2023 par Céphéides

Publié dans : #astronomie

DE L'ASTRONOMIE : la naissance de la Voie lactée

Nous avons longuement évoqué les différentes caractéristiques de notre galaxie dans un article précédent (la Voie lactée) mais, à l’aune d’observations récentes, nous pouvons aujourd’hui reparler plus particulièrement de sa genèse. En effet, grâce notamment au satellite européen Gaïa, la date et les conditions de sa naissance ont été tout récemment réévaluées. Toutefois, avant d’aborder ce sujet précis, revenons un instant sur les notions plus générales (et communément admises) des débuts de l’univers.

L’univers primitif

Au début, il n’y avait certainement pas de lumière mais un noyau minuscule extrêmement chaud et dense qui résumait tout l’univers et autour duquel il n’y avait rien, ni temps, ni espace. C’était il y a 13,7 milliards d’années.

Puis l’univers a commencé à refroidir permettant aux constituants de la matière (quarks et électrons) d’apparaître. Quelques millionièmes de seconde après, les quarks ont pu commencer à se regrouper pour former les noyaux des atomes qui, en 380 000 ans environ, ont réussi à capturer les électrons dans leurs orbites et donner ainsi naissance aux premiers atomes d’hélium et d’hydrogène. Et c’est seulement alors qu’est apparue la lumière. Il faudra encore environ 150 millions d’années pour que naissent les premières protogalaxies, immenses nuages de gaz d’hydrogène et d’hélium (probablement associés à de la matière noire) qui vont progressivement se condenser pour constituer les étoiles primordiales puis, par regroupement, les premières galaxies. D’abord de taille modeste, ces galaxies vont grossir considérablement par accrétion de structures plus petites. Les scientifiques, grâce notamment au télescope spatial Hubble (et l’étude de son « deep space »), ont pu montrer que rares vers 700 millions d’années, des galaxies plus conséquentes deviennent relativement nombreuses vers 900 millions d’années. Il s’est donc forcément passé quelque chose entre ces deux dates et cela a dû être, comme on peut le supposer, violent.

Dès le début, ces galaxies ne se sont pas réparties de façon homogène mais selon de grands réseaux de filaments cosmiques ce qui aboutit à la constitution d’amas galactiques séparés par d’immenses espaces vides.

La théorie classique de formation de la Voie lactée

Notre galaxie s’est très certainement formée comme la plupart des autres galaxies. Elle est née peu après le Big Bang sous la forme de petites masses qui ont fait office de précurseurs à la formation

d’amas globulaires (où l’on trouve dans ceux qui subsistent encore dans le halo de notre galaxie les étoiles les plus anciennes). Par accrétion progressive, au bout de quelques milliards d’années, la masse de la Voie lactée fut suffisamment importante pour avoir une vitesse tangentielle suffisante. Du coup, comme le patineur ramenant ses bras contre son corps se met à tournoyer plus vite, le gaz interstellaire de notre galaxie s’est aplati pour passer d’une sphère à un disque dans lequel se sont formées les étoiles. Ce disque aplati doté de bras en spirales s’est mis à tourner autour d’un centre brillant appelé bulbe galactique. On peut d’ailleurs noter que les étoiles les plus jeunes de notre galaxie se trouvent effectivement dans son disque (où se situe d’ailleurs la majorité des étoiles dont notre Soleil). L’ensemble est surmonté (ou plutôt entouré) d’un halo sphérique. En somme, une structure comparable à la plupart des autres galaxies spirales.

grande galaxie spirale NGC 1232 dans l'amas de l'Éridan

Précisons que l’augmentation de volume de la Voie lactée s’est constituée, certes par accrétion de gaz mais aussi par la capture de galaxies plus petites. Nous aurons l’occasion d’y revenir mais, signalons-le d’emblée, le laboratoire spatial Gaïa a ainsi pu repérer une trentaine de milliers d’étoiles, toutes très vieilles, se déplaçant dans la Voie lactée en sens inverse des milliards d’autres étoiles (et du Soleil) : elles constituent les reliquats d’une galaxie disparue, baptisée Gaïa-Encelade, absorbée il y a environ 10 milliards d’années.

À quelle époque, cette naissance de la Voie lactée a-t-elle eu lieu ? La communauté scientifique était tombée d’accord pour situer cette date à il y a environ 11 milliards d’années. Mais – grosse surprise dans le petit Landerneau astronomique – une intéressante étude toute récente vient jeter un pavé dans la mare : certaines régions de notre galaxie se seraient formées deux milliards d’années plus tôt !

L’étude des sous-géantes

Comment apprécier l’âge réel de la Galaxie ? C’est à ce problème en définitive pas si simple que se sont attaqués des scientifiques allemands en s’appuyant sur l’observation d’une catégorie particulière d’étoiles : les sous-géantes.

Il faut d’abord se souvenir que, en astronomie, il n’existe pas d’étoiles dites « normales ». En effet, on a affaire d’emblée soit à des naines (rouges, jaunes comme notre Soleil, etc.) soit à des géantes (bleues, rouges, blanches, etc.). Parmi ces dernières, on trouve une espèce très spéciale d’astres, les sous-géantes. Ce sont des étoiles qui sont plus brillantes que les naines de la séquence principale de même type spectral mais moins toutefois que les vraies géantes. Les scientifiques pensent qu’il s’agit d’étoiles sur le point d’arrêter la fusion nucléaire de l’hydrogène qu’elles ont de fait quasiment épuisé. Pour ces astres d’une taille voisine de celle du Soleil, cette période provoque la contraction de leur cœur avec une augmentation considérable de leur température centrale. La conséquence de ce nouvel état est le déplacement de la fusion de l’hydrogène restant vers la périphérie de l’étoile qui augmente ainsi de volume : elle va progressivement se transformer en vraie géante (et c’est d’ailleurs cela qui arrivera au Soleil dans quelques milliards d’années). Durant cette phase très particulière de sous-géante, la luminosité de l’étoile dépend alors directement de son âge que l’on peut assez facilement calculer : il découle du temps qui a été nécessaire pour que l’étoile manque d’hydrogène dans son cœur.

L’étude allemande : luminosité et métallicité

télescope spatial Gaïa — mission spatiale Gaïa

La question est donc la suivante : à quelle époque s’est constituée la Voie lactée et de quelle manière ?

Comme on l’a dit précédemment, il est possible de dater un ensemble d’étoiles en se focalisant sur les sous-géantes dont l’état transitoire permet de connaître leur âge véritable. À vrai dire, cette caractéristique qui donne tout son intérêt à ce groupe d’étoiles est connue depuis une dizaine d’années déjà mais les études réalisées jusqu’à maintenant portaient tout au plus sur quelques milliers de sujets. En se basant sur les données récentes révélées par la mission spatiale Gaïa et le télescope terrien chinois Lamost, l’étude allemande a pu s’appuyer sur une base de 250 000 sous-géantes. On comprend aisément que plus l’échantillon est important, plus il devient possible de connaître l’âge de différentes parties de la Galaxie et donc de décrypter les différentes phases de sa formation.

En réalité deux paramètres ont été nécessaires pour cette étude : la luminosité des sous-géantes révélée par Gaïa et leur métallicité donnée par Lamost. Mais pourquoi a-t-on également étudié la métallicité de ces sous-géantes et, d’abord, qu’est-ce que c’est ?

On sait qu’une étoile est principalement composée d’hydrogène qu’elle transforme en hélium pour assurer la fusion nucléaire. Toutefois, il existe une petite fraction d’atomes lourds (comme le fer, le carbone, l’oxygène, etc.) qui est également fabriquée en son sein et

dispersée lorsqu’elle meurt en explosant. Plus une étoile est d’époque récente et plus elle sera riche en ces éléments lourds « recaptés » lors de sa formation tandis que plus une étoile sera ancienne, moins elle en possédera. Nous avons d’ailleurs vu dans un article précédent que les premières étoiles – celles baptisées « primordiales » - en étaient totalement dépourvues. Le pourcentage d’éléments lourds que possède une étoile est appelé son indice de métallicité.

Au total, on peut résumer ainsi l’étude : la luminosité des sous-géantes permet d’obtenir une bonne notion de leur âge, âge qui sera considérablement affiné par l’étude de leur degré de métallicité.

Âge de la Voie lactée

L’étude a donc porté sur l’âge estimé de cette très spéciale population d’étoiles, les sous-géantes, pour aboutir à une conclusion plutôt inattendue qui « vieillit » notre galaxie. Son évolution semble avoir suivi deux phases bien distinctes :

La constitution il y a 13 milliards d’années (pour mémoire, l’âge de l’univers est estimé à 13,7 milliards d’années) d’un disque proto-galactique bombé (ou épais) abritant les premières générations d’étoiles et
La rencontre avec une galaxie naine déjà évoquée plus avant, Gaïa-Encelade, attirée par le disque primitif de notre galaxie. Du fait de l’apport d’étoiles, ce disque bombé s’est alors affiné (comme expliqué plus avant) avec apparition d’un bulbe galactique et, autour de l’ensemble ainsi formé, du halo d’étoiles.

structure de la Voie lactée (PNG/PSG = pôle galactique Nord et Sud)

Jusqu’à présent les scientifiques pensaient que le halo était la partie la plus ancienne de notre galaxie et qu’il avait longtemps précédé la formation du disque galactique. Eh bien c’est faux démontrent ces nouvelles données : le disque est tout aussi ancien. Les nouvelles informations apportées par Gaïa montrent que des étoiles trèsprimitives, à faible métallicité, tournent toujours dans le disque ce qui sous-entend que celui-ci existe depuis les débuts de la Galaxie. Plus encore, on peut penser sérieusement aujourd’hui que les étoiles du disque sont certainement parmi les premières à s’être formées. Du coup, c’est toute la formation de la Voie lactée qui est remise en cause…

De ce fait, la « naissance » de la Voie lactée que les scientifiques estimaient avoir eu lieu trois à quatre milliards d’années après le Big bang a fait un bon important dans le passé : les données récentes la situent à présent vers 800 millions d’années, soit peu de temps (en termes astronomiques) après le point de départ initial. Voilà un élément nouveau sur les premiers temps de notre galaxie qui remet en cause notre schéma explicatif de sa formation. Comme quoi, dans le domaine scientifique, rien n’est jamais acquis !

Mais ce qui est vrai pour notre galaxie l’est peut-être aussi pour l’ensemble des autres galaxies. Et c’est également tout l’intérêt du lancement réussi il y a quelques mois du télescope spatial James Webb dont on rappelle que l’une des missions fondamentales est précisément d’explorer l’univers primordial et d’apporter plus d’informations sur ses débuts. Décidément, l’avenir astronomique proche risque d’être encore plus passionnant.

Sources

* Encyclopaedia Britannica

* https://trustmyscience.com

* Wikipedia France : fr.wikipedia.org/

* Revue Pour la Science, HS n° 118, février-mars 2023

* Revue Science & Vie, HS n° 305, février 2023

Images :

1. la Voie lactée par Serge Brunier

2. filaments cosmiques (sources : gurumed.org)

3. galaxie spirale NGC 1232 (crédits : www.cidehom.com

4. diagramme HR (sources : Wikipedia

5. télescope spatial Gaïa (sources : midilibre.fr)