Au cours des deux dernières années, les astronomes ont réécrit l'histoire de notre galaxie
Une simulation numérique de la collision d'une grande galaxie, similaire à la Voie lactée, avec une galaxie naine. Les astronomes pensent qu'il a été impliqué dans au moins une de ces collisions lors de la formation de la Voie lactée.
Des représentants des peuples khoisans d' Afrique noire , observant la bande sinueuse d'étoiles et de poussière séparant le ciel nocturne, y virent les charbons d'un feu. Les marins polynésiens ont vu un requin dans le ciel dévorant des nuages. Les Grecs de l'Antiquité ont vu l'écoulement du lait, et ont appelé ce chemin "laiteux" - galaxies - d'où le terme " galaxie " est venu plus tard .
Au 20e siècle, les astronomes ont découvert que notre rivière argentée ne faisait que partie d'une immense île d'étoiles, après quoi ils ont écrit leur propre histoire de l'origine de la galaxie [lorsqu'il est devenu clair que la Voie lactée n'est pas la seule galaxie, la le mot «Galaxy» avec une majuscule a été laissé comme un autre nom propre à la Voie lactée / env. par.]. En un mot, la Voie lactée a été créée il y a environ 14 milliards d'années par la fusion d'énormes nuages ​​de gaz et de poussière sous l'influence de la gravité. Au fil du temps, deux structures caractéristiques sont apparues - d'abord un énorme «halo» sphérique, puis - un disque dense et brillant. Des milliards d'années ont passé et notre propre système solaire est apparu à l'intérieur du disque. Et maintenant, en regardant le ciel la nuit [dans une zone avec une pollution lumineuse relativement faible / env. par.] nous voyons du lait renversé - ou un disque qui s'étend dans le ciel du côté de la côte.
Pourtant, au cours des deux dernières années, les chercheurs ont réécrit presque tous les grands chapitres de l'histoire de la Galaxie. Qu'est-il arrivé? Ils ont obtenu des données de meilleure qualité.
Le 25 avril 2018, le vaisseau spatial européen Gaia a publié une quantité impressionnante d'informations sur le ciel. Plus important encore, les données collectées par l'appareil au cours de l'année contenaient une description détaillée du mouvement d'environ un milliard d'étoiles. Dans les études précédentes, seuls quelques milliers étaient marqués. Ces données ont ravivé une galaxie auparavant statique. «Gaia a lancé une nouvelle révolution», a déclaré Federico Sestito , astronome à l'Observatoire astronomique de Strasbourg en France.
Les astronomes se sont précipités pour télécharger une carte dynamique des étoiles, après quoi toute une cascade de découvertes est apparue. On a découvert, par exemple, que certaines parties du disque sont incroyablement vieilles. Des preuves ont été trouvées pour des collisions épiques qui ont façonné la jeunesse chaude de la Voie lactée, ainsi que des indications que la galaxie continue de se mélanger de manière inattendue à ce jour.
Le satellite Gaia a révolutionné la compréhension de la Voie lactée depuis son lancement en décembre 2013.
Tous ces résultats constituent ensemble une nouvelle histoire du passé tumultueux de notre Galaxie et de son développement continu dans le futur. «Notre compréhension de la Voie lactée a changé très rapidement», a déclaré Michael Petersen , astronome à l'Université d'Édimbourg. «On pense maintenant que la Voie lactée n'est pas un objet statique. Tout évolue très rapidement sur toute son étendue. "
Les premières étoiles
Pour avoir un aperçu des premiers jours de la Galaxie, les astronomes recherchent les étoiles qui existaient à cette époque. Ils se composaient uniquement d'hydrogène et d'hélium, les matériaux les plus primordiaux de l'univers. Heureusement, les plus petites étoiles de cette génération brûlent également beaucoup plus lentement que les autres, donc beaucoup brillent encore.
Après des décennies d'observation, les chercheurs ont compilé un catalogue de 42 anciennes étoiles connues sous le nom d'étoiles ultra pauvres en métaux (les astronomes appellent «métal» tout ce qui est plus lourd que l'hélium). Selon l'histoire standard du développement de la Voie lactée, ces étoiles devraient traîner tout le volume du halo - la partie de la galaxie qui est apparue en premier lieu. Et le disque - qui, selon les calculs, aurait dû prendre environ un milliard d'années pour tourner et s'aplatir - devrait être peuplé d'étoiles avec des éléments plus lourds, tels que le carbone ou l'oxygène.
Fin 2017, Sestito a décidé d'étudier le mouvement de cet essaim pauvre en métaux, en écrivant un programme qui analyse les résultats obtenus dans le projet Gaia. Peut-être que leurs trajectoires sur la sphère pourraient suggérer l'histoire du halo.
Il a extrait des informations sur les trajectoires de 42 étoiles anciennes à partir d'un ensemble de données complet. Il s'est avéré que la plupart d'entre eux, comme prévu, se déplaçaient dans le halo. Cependant, certains - environ 1 sur 4 - ont déménagé différemment. Ils semblaient coincés dans le plan du disque - la plus jeune section de la Voie lactée. «Que diable,» se demanda Sestito, bien qu'à ce moment-là , il utilisa un mot légèrement différent. - Que se passe-t-il?"
Des recherches ultérieures ont confirmé que ces étoiles sont depuis longtemps dans le disque et ne sont pas que des touristes qui le traversent. Sur la base de deux observations récentes, Sestito et ses collègues ont rassemblé une bibliothèque de 5 000 étoiles pauvres en métaux. Plusieurs dizaines d'entre eux se sont avérés être des résidents permanents du disque.... Un autre groupe de scientifiques a passé au peigne fin 500 autres étoiles trouvées lors d'une autre observation, et a constaté que chaque dixième d'orbites se situait dans le plan du disque. Le troisième groupe de scientifiques a étudié plusieurs étoiles de différentes métallités (et, par conséquent, d'âges différents), en orbite à l'intérieur d'un disque plat. «C'était quelque chose de complètement nouveau», a déclaré l'auteur principal Paola di Matteo, astronome à l'Observatoire de Paris.
Comment ces anachronismes sont-ils arrivés là ? Sestito a théorisé que des amas individuels de gaz ancien ont réussi d'une manière ou d'une autre à éviter tous les métaux éclatés par les supernovae pendant de longues périodes, après quoi de vieilles étoiles trompeuses se sont formées à partir de ce gaz. Ou le disque a commencé à prendre forme en même temps que le halo - 1 milliard d'années en avance sur le calendrier.
Pour savoir laquelle de ces hypothèses est la plus probable, il a contacté Tobias Buck , chercheur à l'Institut d'astrophysique de Potsdam en Allemagne, spécialisé dans la création de simulations numériques de galaxies. Dans le passé, de telles tentatives aboutissaient généralement à la formation du halo en premier et du disque ensuite, comme prévu. Cependant, ces tentatives avaient une résolution relativement faible.
Dans ces simulations numériques, une galaxie similaire à notre propre Voie lactée se forme et évolue sur 13,8 milliards d'années, du début de l'univers à nos jours. La colonne de gauche montre la distribution de la matière noire invisible. En moyenne, la température du gaz (bleu - zones froides, rouge - chaud). À droite, la densité des étoiles. Les rangées sont responsables de l'échelle: la rangée du haut est une vue rapprochée du disque galactique. Celui du milieu est un peu plus loin, surplombant le halo. Le plus bas est une vue lointaine montrant les environs de la galaxie.
Buck a multiplié par 10 environ la résolution des simulations. Chaque exécution d'une telle simulation nécessitait d'importantes ressources de calcul. Et bien qu'il ait eu accès au centre de supercalculateur. Leibniz en Allemagne, une simulation a pris environ trois mois de temps de calcul. Et il a répété cela six fois.
Cinq fois sur six, il s'est avéré être un jumeau de la Voie lactée. Dans deux de ces simulations, le disque contenait des quantités importantes d'étoiles pauvres en métaux.
D'où viennent ces anciennes étoiles sur le disque? En d'autres termes, ils étaient des immigrants vedettes. Certains d'entre eux sont nés dans des nuages ​​apparus avant la Voie lactée. Ensuite, ces étoiles des nuages ​​se sont simplement retrouvées sur de telles orbites qui, à l'avenir, feront partie du disque galactique. D'autres étoiles proviennent de galaxies naines qui sont entrées en collision avec la Voie lactée et sont entrées dans le plan du disque en formation.
Résultats publiésdes chercheurs en novembre 2020 suggèrent que les modèles classiques de la formation de la galaxie étaient incomplets. Les nuages ​​de gaz se réduisent en halos sphériques. Mais les étoiles arrivant à des angles appropriés peuvent déclencher la formation de disques en même temps. «Les théoriciens n'avaient pas tort», a déclaré Buck. "Ils ont raté une partie de la vue d'ensemble."
Jeunesse orageuse
Les difficultés ne se sont pas arrêtées là . Gaia a aidé à découvrir des preuves directes d'affrontements catastrophiques. Les astronomes supposaient déjà que la Voie lactée avait une vie active, mais Helmer Koppelman , qui travaille à l'Institut de recherche avancée de Princeton, en utilisant les données de Gaia, a pu trouver des vestiges spécifiques de l'une des plus grandes fusions.
Koppelman rappelle que les données de Gaia ont été publiées mercredi en avril 2018 et qu'en raison de la course effrénée de téléchargement de fichiers, le site Web du projet s'est pratiquement arrêté. Jeudi, il a traité les données et, vendredi, il savait qu'il était tombé sur quelque chose de gros. Dans toutes les directions, il y avait un grand nombre d'étoiles qui rebondissaient au centre de la Voie lactée d'une manière similaire et étrange. C'était la preuve qu'ils sont apparus dans une galaxie naine. Dimanche, Koppelman et son équipe avaient un court article scientifique prêt , et une analyse plus détaillée était prête en juin.
Des débris de galaxies en collision pourraient être trouvés n'importe où. Jusqu'à la moitié des étoiles dans le halo intérieur de 60 000 années-lumière de diamètre (le halo lui-même a un rayon de centaines de milliers d'années-lumière) auraient pu apparaître à la suite de cette collision. Cela pourrait augmenter la masse totale de la Voie lactée de 10%. «Cela change tout», a déclaré Koppelman. "Je m'attendais à ce qu'il y ait beaucoup de petits objets différents."
Simulation montrant la formation et le développement d'une galaxie comme la Voie lactée sur 10 milliards d'années. De nombreuses petites galaxies naines tombent dans le disque principal et en font souvent partie.
Le groupe a nommé la galaxie qui est entrée en collision avec la nôtre, Gaia Enceladus, d'après la déesse grecque Gaia et son fils par Titan, Encelade. Une autre équipe a découvert indépendamment la même galaxie à peu près au même moment et l'a nommée "Sausage" d'après sa forme sur certaines cartes orbitales.
Après la collision de la Voie lactée et de Gaia-Encelade, qui s'est produite il y a probablement environ 10 milliards d'années, des dégâts massifs se sont propagés sur le disque fragile de la Voie lactée. Les astronomes se demandent pourquoi le disque de notre galaxie se compose, pour ainsi dire, de deux - un disque mince et un disque plus épais, dans lequel les étoiles tournant autour du centre de la galaxie sautent de haut en bas. Aujourd'hui , les recherches de di Matteo suggèrent que Gaia Enceladus a simplement déchiré une grande partie du disque, le rendant plus épais lors de l'impact. «Le premier disque ancien s'est formé assez rapidement, puis, comme nous le croyons, Gaia-Encelade l'a simplement détruit», a déclaré Koppelman.
Dans les amas d'étoiles globulaires, des indices d'autres fusions peuvent également être trouvés. Diederik Kruissen , astronome à l'Université d'Heidelberg en Allemagne, a utilisé des simulations de galaxies pour former un réseau neuronal qui a soigneusement exploré les amas globulaires. Il a lancé un réseau pour étudier l'âge, la composition et les orbites des amas. Sur la base des données obtenues, le réseau neuronal a pu recréer les collisions qui ont formé les galaxies. Et puis il a appliqué ces informations à des données réelles de la Voie lactée. Le programme a reconstitué à la fois des événements bien connus, tels que la collision avec Gaia-Enceladus, et une confluence plus ancienne et plus importante, qu'un groupe de scientifiques a surnommée le Kraken.
En août, le groupe Kruissen a publié une liste de fusionsLa Voie lactée et les galaxies naines qui l'ont formée. Les scientifiques ont également prédit 10 autres collisions survenues dans le passé, qu'ils espéraient obtenir auprès d'observateurs indépendants. "Nous n'avons pas encore trouvé ces dix collisions", a déclaré Cruissen, "mais nous le ferons."
Toutes ces fusions ont amené certains astronomes à croire que le halo pourrait être presque entièrement composé d'étoiles immigrées. Les modèles des années 60 et 70 prédisaient que la plupart des étoiles de la Voie lactée se formeraient sur place. Mais avec le temps, de plus en plus de stars se révèlent être des extraterrestres. Les astronomes n'ont probablement plus besoin de supposer que de nombreuses étoiles, voire aucune, sont nées sur place, dit di Matteo.
Une galaxie en croissance silencieuse
L'histoire de la Voie lactée a été plutôt calme ces derniers temps, mais les nouveaux arrivants continuent de s'y battre. Les amateurs d'astronomie de l'hémisphère sud peuvent voir à l'œil nu quelques galaxies naines, les grands et petits nuages ​​de Magellan . Les astronomes ont longtemps considéré ces deux fidèles satellites de notre Galaxie, quelque chose comme les lunes de la Voie lactée.
Mais ensuite, plusieurs observations du télescope Hubble, réalisées entre 2006 et 2013, ont montré qu'ils ressemblaient davantage à des météorites volant vers nous. Nitya Kallivayalil , un astronome de l'Université de Virginie, a calculé qu'ils se dirigeaient droit vers nous à une vitesse d'environ 300 km / s - presque deux fois plus vite qu'on ne le pensait auparavant.
La montée des grands et petits nuages ​​de Magellan sur le mont Bromo, un volcan actif dans le parc national de l'île de Java en Indonésie,
lorsqu'une équipe dirigée par l' astronome Jorge Penarrubia , astronome à l'observatoire royal d'Édimbourg, a traité les données quelques années plus tard, ils ont conclu que ces nuages ​​de vitesse doivent être très massifs - probablement 10 fois plus durs qu'on ne le pensait auparavant.
«Surprise après surprise», a déclaré Peñarrubia.
Divers groupes ont prédit que des nains d'une lourdeur inattendue pourraient traîner des parties de la Voie lactée, et cette année, Peñarrubia s'est associée à Petersen pour en trouver des preuves.
Le problème avec l'étude du mouvement des galaxies est que la Voie lactée est un blizzard furieux d'étoiles et que les astronomes essaient de regarder l'un des flocons de neige. Par conséquent, Peñarrubia et Petersen ont travaillé pendant la plus grande partie de la quarantaine sur la manière de neutraliser les mouvements de la Terre et du Soleil, ainsi que de faire la moyenne du mouvement du halo stellaire afin que sa limite extérieure puisse servir de fond stationnaire.
Après avoir calibré les données de cette manière, ils ont constaté que la Terre, le Soleil et le reste du disque dans lequel ils se trouvaient inclinaient tous dans la même direction. Mais ils ne se déplacent pas vers l'emplacement actuel du Grand Nuage de Magellan, mais vers l'endroit où il se trouvait il y a un milliard d'années (Petersen a expliqué que la Galaxie est une bête maladroite aux réflexes lents). Ils ont récemment détailléleurs découvertes dans la revue Nature Astronomy.
Le mouvement du disque par rapport au halo détruit l'hypothèse fondamentale qu'il y a un équilibre dans la Voie lactée. Il peut tourner et glisser dans l'espace, mais la plupart des astronomes ont supposé qu'après des milliards d'années, le disque et le halo adultes avaient formé une configuration stable.
L'analyse de Peñarrubia et Petersen prouve que cette hypothèse est fausse. Même après 14 milliards d'années, les fusions continuent de façonner la forme générale de la galaxie. Il s'agit du changement le plus récent dans notre compréhension des processus qui se déroulent dans le flux laiteux géant qui pend dans notre ciel.
«Nous avons maintenant besoin d'un nouveau modèle pour décrire l'avenir et l'histoire de la Voie lactée, que nous pensions déjà connue», a déclaré Petersen.