L’impression d’artiste de la fusion entre la galaxie Gaïa-Encelade et notre Voie Lactée, qui a eu lieu lors des premiers stades de formation de notre Galaxie, il y a 10 milliards d’années.
La mission Gaia de l’ESA a fait une percée majeure dans l’histoire de la formation de la Voie Lactée.
Au lieu de se former seule, notre Galaxie a fusionné avec une autre grande galaxie au début de sa vie, il y a environ 10 milliards d’années. Les preuves sont éparpillées dans le ciel tout autour de nous, mais il a fallu à Gaia et à son extraordinaire précision pour nous montrer ce qui se cachait à la vue depuis le début.
Gaia mesure la position, le mouvement et la luminosité des étoiles avec une précision sans précédent.
En utilisant les 22 premiers mois d’observations, une équipe d’astronomes dirigée par Amina Helmi, de l’Université de Groningue, aux Pays–Bas, a examiné sept millions d’étoiles – celles pour lesquelles les positions et les vitesses 3D complètes sont disponibles – et a constaté que quelque 30 000 d’entre elles faisaient partie d’une « collection étrange » se déplaçant à travers la Voie lactée. Les étoiles observées en particulier passent actuellement par notre voisinage solaire.
Simulation informatique de la fusion entre une galaxie comme la jeune Voie Lactée, dont les étoiles sont représentées en cyan, et une galaxie plus petite, indiquée en rouge.Selon une étude basée sur la deuxième publication de données de la mission Gaia de l’ESA, les astronomes estiment qu’un événement de fusion important comme celui montré dans cette animation s’est produit lors des premiers stades de formation de la Voie Lactée, il y a dix milliards d’années. Une telle fusion a conduit à deux composants importants de notre Galaxie, le halo et le disque épais.Les étoiles appartenant à la galaxie accrétée, qui a été nommée Gaïa-Encelade, sont entrecoupées d’étoiles de la Voie Lactée et peuvent être vues dans tout le ciel, mais n’ont pu être révélées que grâce à l’extraordinaire précision de Gaïa.La simulation présentée dans cette animation est décrite dans des articles de Á. Villalobos et A. Helmi ont publié en 2008 et 2009.Plus d’informations: Fantômes galactiques: Gaia découvre un événement majeur dans la formation de la Voie Lactée. Crédit: Koppelman, Villalobos & Helmi, Institut astronomique Kapteyn, Université de Groningue, Pays-Bas
Nous sommes si profondément ancrés dans cette collection que ses étoiles nous entourent presque complètement et peuvent donc être vues dans la majeure partie du ciel.
Même si elles sont entrecoupées d’autres étoiles, les étoiles de la collection se sont distinguées dans les données de Gaia parce qu’elles se déplacent toutes le long de trajectoires allongées dans la direction opposée à la majorité des cent autres milliards d’étoiles de la Galaxie, y compris le Soleil.
Ils se sont également distingués dans le diagramme dit de Hertzprung-Russell – qui est utilisé pour comparer la couleur et la luminosité des étoiles – indiquant qu’elles appartiennent à une population stellaire clairement distincte.
Le nombre d’étoiles étranges impliquées a intrigué Amina et ses collègues, qui soupçonnaient qu’elles pourraient avoir quelque chose à voir avec l’histoire de la formation de la Voie Lactée et se sont mis au travail pour comprendre leurs origines.
Dans le passé, Amina et son groupe de recherche avaient utilisé des simulations informatiques pour étudier ce qui arrive aux étoiles lorsque deux grandes galaxies fusionnent. Lorsqu’elle les a comparées aux données de Gaia, les résultats simulés correspondaient aux observations.
« La collection d’étoiles que nous avons trouvée avec Gaia a toutes les propriétés de ce que vous attendez des débris d’une fusion galactique », explique Amina, auteure principale de l’article publié aujourd’hui dans Nature.
Impression d’artiste des débris de la galaxie Gaïa-Encelade. Gaia-Encelade a fusionné avec notre galaxie de la Voie Lactée au cours de ses premiers stades de formation, il y a 10 milliards d’années, et ses débris peuvent maintenant être trouvés dans toute la Galaxie. Les positions et les mouvements des étoiles (représentés par des flèches jaunes) sont censés représenter ceux des étoiles appartenant à l’origine à Gaïa-Encelade. Ils ont été extraits d’une simulation informatique existante d’une fusion présentant des caractéristiques similaires à celles découvertes par Gaia.
En d’autres termes, la collection est ce qu’ils attendaient d’étoiles qui faisaient autrefois partie d’une autre galaxie et ont été consommées par la Voie lactée. Les étoiles forment maintenant la majeure partie du halo interne de notre Galaxie – une composante diffuse de vieilles étoiles qui sont nées au début et entourent maintenant la majeure partie de la Voie lactée connue sous le nom de renflement central et de disque.
Le disque galactique lui-même est composé de deux parties. Il y a le disque mince, qui a quelques centaines d’années-lumière de profondeur et contient le motif de bras en spirale faits par des étoiles brillantes. Et il y a le disque épais, qui a quelques milliers d’années-lumière de profondeur. Il contient environ 10 à 20% des étoiles de la Galaxie, mais ses origines ont été difficiles à déterminer.
Selon les simulations de l’équipe, en plus de fournir les étoiles du halo, la galaxie accrétée aurait également pu perturber les étoiles préexistantes de la Voie Lactée pour aider à former le disque épais.
« Nous ne sommes devenus certains de notre interprétation qu’après avoir complété les données de Gaia avec des informations supplémentaires sur la composition chimique des étoiles, fournies par le relevé APOGEE au sol », explique Carine Babusiaux, Université Grenoble Alpes, France, et deuxième auteur de l’article.
Les étoiles qui se forment dans différentes galaxies ont des compositions chimiques uniques qui correspondent aux conditions de la galaxie d’origine. Si cette collection d’étoiles était bien les restes d’une galaxie qui a fusionné avec la nôtre, les étoiles devraient en montrer une empreinte dans leur composition. Et ils l’ont fait.
Les astronomes ont appelé cette galaxie Gaïa-Encelade d’après l’un des Géants de la mythologie grecque antique, qui était la progéniture de Gaïa, la Terre, et d’Uranus, le Ciel.
» Selon la légende, Encelade aurait été enseveli sous l’Etna, en Sicile, et responsable de tremblements de terre locaux. De même, les étoiles de Gaia-Encelade ont été profondément enfouies dans les données de Gaia et elles ont secoué la Voie lactée, entraînant la formation de son disque épais « , explique Amina.
Même si aucune autre preuve n’était vraiment nécessaire, 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-Encelade, indiquant qu’elles faisaient à l’origine partie de ce système.
Les amas globulaires sont des groupes de millions d’étoiles, maintenus ensemble par leur gravité mutuelle et orbitant autour du centre d’une galaxie. Le fait que tant d’amas puissent être liés à Gaïa-Encelade est une autre indication que cela devait être autrefois une grande galaxie à part entière, avec son propre entourage d’amas globulaires.
Une analyse plus approfondie a révélé que cette galaxie avait à peu près la taille d’un des Nuages de Magellan – deux galaxies satellites environ dix fois plus petites que la taille actuelle de la Voie Lactée.
Il y a dix milliards d’années, cependant, lorsque la fusion avec Gaia-Encelade a eu lieu, la Voie lactée elle-même était beaucoup plus petite, de sorte que le rapport entre les deux était plutôt de l’ordre de quatre pour un. Ce fut donc clairement un coup dur pour notre Galaxie.
Une impression d’artiste de notre galaxie de la Voie Lactée, une « galaxie spirale barrée » vieille d’environ 13 milliards d’années qui abrite quelques centaines de milliards d’étoiles. Sur la gauche, une vue de face montre la structure en spirale du Disque Galactique, où se trouvent la majorité des étoiles, entrecoupée d’un mélange diffus de gaz et de poussière cosmique. Le disque mesure environ 100 000 années-lumière et le Soleil se trouve à mi-chemin entre son centre et sa périphérie. Sur la droite, une vue en bordure révèle la forme aplatie du disque. Les observations indiquent une sous-structure: un disque mince d’environ 700 années-lumière intégré dans un disque épais, d’environ 3000 années-lumière et peuplé d’étoiles plus anciennes. Le bord visible montre également le renflement galactique, situé dans la partie centrale de la Voie Lactée et abritant environ 10 milliards d’étoiles, principalement vieilles et rouges. Le renflement, également visible sur la vue de face à gauche, a une forme globalement allongée qui ressemble à celle d’une barre en forme d’arachide, avec une demi-longueur d’environ 10 000 années-lumière, faisant de la Voie lactée une galaxie spirale barrée. Au-delà du disque et du renflement se trouve le halo stellaire, une structure à peu près sphérique avec un rayon d’environ 100 000 années–lumière, contenant des étoiles isolées ainsi que de nombreux amas globulaires – de grands conglomérats compacts de certaines des étoiles les plus anciennes de la Galaxie. À une plus grande échelle, la Voie lactée est intégrée dans un halo encore plus grand de matière noire invisible.
» Voir que nous commençons maintenant à démêler l’histoire de la formation de la Voie Lactée est très excitant « , a déclaré Anthony Brown, de l’Université de Leiden, aux Pays-Bas, co-auteur de l’article et président du Consortium de traitement et d’analyse des données Gaia.
Depuis les toutes premières discussions sur la construction de Gaia il y a 25 ans, l’un des objectifs clés de la mission était d’examiner les différents flux stellaires de la Voie Lactée et de reconstruire son histoire ancienne. Cette vision porte ses fruits.
« Gaia a été construit pour répondre à de telles questions », explique Amina. « Nous pouvons maintenant dire que c’est ainsi que la Galaxie s’est formée à ces premières époques. C’est fantastique. C’est tellement beau et vous fait vous sentir si grand et si petit en même temps. »
« En lisant les mouvements des étoiles éparpillées dans le ciel, nous sommes maintenant en mesure de rembobiner l’histoire de la Voie Lactée et de découvrir une étape majeure dans sa formation, et cela est possible grâce à Gaia », conclut Timo Prusti, scientifique du projet Gaia à l’ESA.
Publication: « La fusion qui a conduit à la formation du halo stellaire interne et du disque épais de la Voie lactée » par A. Helmi et al est publiée dans Nature.