Gaia découvre un événement majeur de l’histoire de la formation de la Voie lactée

La mission spatiale Gaia de l’ESA a dévoilé un événement majeur de l’histoire de la formation de la Voie lactée. Notre galaxie ne s’est pas formée isolément : elle a fusionné avec une autre grande galaxie il y a environ 10 milliards d’années. Cette galaxie a rempli d’étoiles le halo qui entoure la Voie lactée et a épaissi le disque galactique présent à cette époque. L’extraordinaire précision de Gaia a permis de mettre en évidence les preuves de cet événement, dispersées dans le ciel.

Gaia mesure la position, le mouvement et la luminosité des étoiles avec une précision sans précédent. Sur la base des 22 premiers mois d’observation, l’étude de sept millions d’étoiles - celles pour lesquelles les positions et vitesses 3D complètes sont disponibles - a permis de découvrir que 30 000 d’entre elles faisaient partie d’un "groupe étrange" d’étoiles vieilles se déplaçant à travers la Voie lactée et que l’on peut observer dans le voisinage du soleil. Nous sommes si profondément ancrés dans ce groupe que ses étoiles nous entourent presque complètement et peuvent donc être vues à travers la plus grande partie du ciel. Les étoiles du groupe se distinguaient dans les données de Gaia car elles se déplaçaient toutes sur des trajectoires allongées dans la direction opposée à la majorité des autres étoiles de la galaxie, y compris le Soleil. Elles se distinguaient également dans le diagramme Hertzprung-Russell - qui relie luminosité et couleur des étoiles - indiquant qu’elles appartenaient à une population stellaire clairement distincte.

Impression d’artiste de la fusion entre la galaxie Gaia- Enceladus et la Voie lactée, qui aurait eu lieu pendant les premiers stades de la formation de notre Galaxie, il y a 10 milliards d’années. Les positions et les mouvements des étoiles de Gaia-Enceladus (représentés par des flèches jaunes) dans cette première phase de la fusion sont basés sur une simulation qui modélise une rencontre simi-laire à celle découverte par Gaia. ©ESA (impression d’artiste et composition) ; Koppelman, Villalobos et Helmi (simulation) ; NASA/ESA/Hubble (image galactique), CC BY-SA 3.0 IGO.


Dans le passé, Amina Helmi, astronome de l’Université de Groningue aux Pays-Bas et son équipe de recherche avaient utilisé des simulations pour étudier ce qu’il advient des étoiles lorsque deux grandes galaxies fusionnent. Lorsqu’elle a comparé celles-ci aux données de Gaia, les résultats simulés correspondaient aux observations . En d’autres termes, le groupe correspond à ce qu’ils attendaient d’étoiles qui faisaient autrefois partie d’une autre galaxie et qui ont été absorbées par la Voie lactée. Ces étoiles forment à présent la plus grande partie du halo interne de notre galaxie - une composante diffuse d’étoiles vieilles qui entourent à présent la majeure partie de la Voie lactée, le bulbe central, le disque mince et le disque épais. Le disque épais est une composante de la Voie lactée dont la structure et l’origine sont encore débattues. Selon les simulations de l’équipe, en plus de fournir les étoiles de halo, la galaxie accrétée aurait également pu perturber les étoiles préexistantes de la Voie lactée afin de contribuer à la formation du disque épais.

Les étoiles qui se forment dans différentes galaxies ont des compositions chimiques uniques qui correspondent aux conditions de la galaxie d’origine. Si ce groupe d’étoiles est bien les restes d’une galaxie qui a fusionné avec la nôtre, les étoiles doivent en laisser une empreinte dans leur composition. Un premier indice était présent dans le diagramme Hertzprung-Russell et le relevé spectroscopique APOGEE a permis de confirmer que c’était le cas.

Les astronomes ont appelé cette galaxie Gaia-Enceladus du nom de l’un des géants de la mythologie grecque, qui était la progéniture de Gaia, la Terre, et d’Uranus, le Ciel. Selon la légende, Encelade aurait été enterré sous le mont Etna, en Sicile, et serait responsable des tremblements de terre locaux. De même, les étoiles de Gaia-Enceladus étaient profondément enfouies dans les données de Gaia et ont ébranlé la Voie lactée, ce qui a entraîné la formation de son disque épais.

Vue d’artiste des débris de la galaxie Gaia-Enceladus. Gaia-Enceladus a fusionné avec notre galaxie au tout début de sa formation, il y a 10 milliards d’années, et ses débris se trouvent maintenant dans toute la galaxie. Les positions et les mouvements des étoiles appartenant à l’origine à Gaia-Enceladus ( représentés par des flèches jaunes) sont basés sur une simulation qui modélise une rencontre similaire à celle décou-verte par Gaia. ©ESA (impression d’artiste et composition) ; Koppelman, Villalobos et Helmi (simulation), CC BY-SA 3.0 IGO

L’équipe a également trouvé des centaines d’étoiles variables et 13 amas globulaires dans la Voie lactée qui suivent des trajectoires similaires à celles des étoiles de Gaia-Enceladus, indiquant qu’elles faisaient partie de ce système. Les amas globulaires sont des groupes pouvant aller jusqu’à des millions d’étoiles, maintenus ensemble par leur gravité mutuelle et gravitant autour du centre d’une galaxie. Le fait que tant de groupes puissent être liés à Gaia-Enceladus est une autre indication du fait que celle-ci a dû être autrefois une grande galaxie à part entière, avec son propre entourage d’amas globulaires.

L’étude a indiqué que cette galaxie avait à peu près la taille de l’un des nuages de Magellan - deux galaxies satellites environ dix fois plus petites que la taille actuelle de la Voie lactée. Cependant, il y a dix milliards d’années, lorsque la fusion avec Gaia-Enceladus a eu lieu, la Voie lactée elle-même étant beaucoup plus petite, le rapport entre les deux ressemblait davantage à quatre pour un. C’était donc clairement un événement majeur pour notre galaxie .

Ces résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature, le 1er novembre 2018. Les laboratoires français ayant contribué à cet article sont l’Institut de planétologie et d’astrophysique (IPAG/OSUG, CNRS/Université Grenoble Alpes) et le Laboratoire galaxies, étoiles, physique et instrumentation (GEPI/Observatoire de Paris, CNRS/Université Paris-Diderot).

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Amina Helmi, Carine Babusiaux, Helmer H. Koppelman, Davide Massari, Jovan Veljanoski & Anthony G. A. Brown (2018)

Nature, 563, pp85’88.

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