La Voie lactée s'est formée beaucoup plus tôt qu'on ne le pensait

Au sortir du Big Bang, plus précisément après l'émission du rayonnement fossile, le cosmoscosmos observable contient des atomes d'hydrogène et d'hélium, plusieurs de leurs isotopes et un peu de lithiumlithium mais aucune trace d'éléments plus lourds comme l'azoteazote, le carbonecarbone et l'oxygèneoxygène. Les premières étoilesétoiles qui vont se former et faire sortir à terme l'UniversUnivers des âges sombresâges sombres peuvent donc à une excellente approximation être considérées comme ne contenant pas de métauxmétaux et avec une métallicitémétallicité nulle comme disent les astrophysiciensastrophysiciens dans leur langage, c'est-à-dire dépourvues d'éléments plus lourds que l'hélium.

Selon le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard, il doit d'abord se former de petites galaxiesgalaxies qui vont fusionner pour donner des grandes galaxies qui vont rapidement grandir en accrétant du gazgaz canalisé par des filaments de matière noirematière noire froide pour l'essentiel selon le nouveau paradigme de l'évolution des galaxies qui fait jouer un rôle fondamental à ces filaments et secondaire seulement à toutes les fusionsfusions de galaxies, contrairement à ce que l'on pensait encore il y a plus d'une décennie.

On pense toujours, toutefois, que pour l'essentiel une galaxie spiralegalaxie spirale se forme initialement un peu comme un disque protoplanétairedisque protoplanétaire avec un nuagenuage de matière en rotation qui s'effondre gravitationnellement. La force centrifugeforce centrifuge s'opposant à cette contraction perpendiculairement à l'axe de rotation, le nuage initial s'aplatit.

Deux schémas montrant la structure de la Voie lactée, une spirale barrée de 100.000 années-lumière de diamètre avec des amas globulaires (globular clusters), le Soleil (sun) et des vieilles étoiles dans son halo et son bulbe (bulge). © à gauche : Nasa, JPL-Caltech; à droite : ESA ; montage : ESA/ATG medialab

Une galaxie dont la chimie évolue

La théorie de la structure et de l'évolution stellaire démontre que les étoiles évoluent d'autant plus vite qu'elles sont massives. Au-delà de 8 massesmasses solaires, elles exploseront en supernovaesupernovae après avoir synthétisé des noyaux lourds allant jusqu'au ferfer, enrichissant un milieu interstellaire dans les galaxies où naîtront de nouvelles étoiles. Il existe donc une évolution chimique des étoiles et des galaxies qui permet de faire des datations. Ainsi, une naine rougenaine rouge, pauvre en éléments métalliques au-delà du lithium, indiquera une étoile née il y a plus de 10 milliards d'années alors qu'une naine jaunenaine jaune comme notre SoleilSoleil, plus riche en éléments lourds, sera plus jeune de quelques milliards d'années.

La théorie de l'évolutionthéorie de l'évolution stellaire prédit aussi que la taille et la luminositéluminosité d'une étoile vont varier avec son âge pour une masse donnée. Ainsi, certaines étoiles vont voir la fusion thermonucléaire en éléments plus lourds des noyaux dans leur cœur s'arrêter alors qu'elle va continuer dans une enveloppe autour de ce cœur pendant que l'étoile est dans une phase courte, dite de sous-géante rougegéante rouge, avant de devenir finalement une géante rouge.

Bref, en analysant la composition chimique et la brillance d'une étoile on peut dater son âge et c'est ce que des astrophysiciens ont entrepris de faire avec précision pour environ 250.000 étoiles dans la Voie lactéeVoie lactée avec l'aide du Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope (c'est-à-dire TélescopeTélescope spectroscopique multi-objets à fibres optiquesfibres optiques grand champ, en abrégé Lamost) - un télescope optique chinois de quatre mètres de diamètre.

Maosheng Xiang et Hans-Walter Rix, de l'Institut Max-PlanckPlanck d'astronomie à Heidelberg, en Allemagne, ont combiné avec leurs collègues les données de Lamost avec les données de luminosité et de position de ces mêmes étoiles dans l'ensemble de l'Early Data Release 3 (EDR3) du satellite Gaiasatellite Gaia de l'ESAESA dédié à l'astrométrie. Les résultats de cette combinaison viennent d'être publiés dans le célèbre journal Nature.

Une archéologie galactique lisible dans des strates d'étoiles

Les données astrométriques de Gaia concernent des mesures fines des positions et des vitessesvitesses d'environ 1,5 milliard d'étoiles dans la Voie lactée. Les dernières ont été publiées en décembre 2020 et Lamost a fourni celles de 9 millions d'étoiles en 2021. Seule une partie de ces étoiles étaient en phase sous-géante rouge, les 250.000 étudiées avec Lamost, mais au final la structure et la datation du halo et du disque de la Voie lactée ont été précisées.

La  structure de ce dernier est double. Il y a d'abord un disque mince et dense dont l'épaisseur est d'environ 2.000 années-lumièreannées-lumière et où se trouvent les bras de notre Galaxie, là où naissent principalement aujourd'hui les étoiles. Il est lui-même plongé dans un disque plus diffusdiffus dont l'épaisseur est d'environ 6.000 années-lumière.

Le disque mince contient la plupart des étoiles que nous voyons sous la forme de la bande de lumière brumeuse dans le ciel nocturnenocturne que nous appelons la Voie lactée. Le disque épais est plus du triple de la hauteur du disque mince mais de rayon plus petit, ne contenant que quelques pourcents des étoiles de la Voie lactée dans le voisinage solaire.

Le halo stellaire est, lui, constitué d'une population presque sphérique d'étoiles et d'amas globulairesamas globulaires entourant la Voie lactée. Les étoiles y sont vieilles avec une faible métallicité, tout comme dans le cas du bulbe central de la Voie lactée. On n'y trouve pas de poussière contrairement au disque. Ce halo lui-même est plongé dans un halo de plasma chaud, qui à son tour devrait être enveloppé par un halo de particules de matière noire selon le modèle cosmologique standard.

Une vue d'artiste de la Voie lactée par la tranche. Le disque est voilé, on pense qu'il s'agit du vestige d'une interaction gravitationnelle avec une galaxie proche. © Stefan Payne-Wardenaar, MPIA

Une chronologie galactique différente

Il apparaît maintenant, et c'est la surprise selon un communiqué de l'ESA, qu'il y aurait eu deux phases importantes distinctes dans l'histoire de la Voie lactée.

Dans la première phase, commençant juste 0,8 milliard d'années après le Big BangBig Bang et donc il y a environ 13 milliards d'années, le disque épais est déjà là contrairement à ce que l'on pensait et il commence à s'y former des étoiles. Mais environ 2 milliards d'années plus tard, après une accélération du taux de formation stellaire, un important pic se produit et on l'explique par la fusion entre la jeune Voie lactée et une galaxie nainegalaxie naine, galaxie baptisée Gaia-EnceladeEncelade. Ce nom vient de la mythologie grecque : Encelade, l'un des Géants, fils de Gaïa (la Terre) et d'Ouranos (le Ciel), lors de la Gigantomachie, fut mis hors de combat par Athéna et enterré sous le mont EtnaEtna, provoquant depuis séismesséismes et éruptions.

Cette fusion a certainement été comparable à une masse lancée et percutant une mare, dans le fluide d'étoiles autogravitant de notre Galaxie, et on pensait que c'était elle qui avait, en quelque sorte, « chauffé » le gaz d'étoiles du disque mince, le forçant à s'évaporer et à se dilater pour former le disque épais.

C'est à ce moment-là aussi que le halo stellaire se serait formé par la même occasion et pour la même raison.

Mais, dans le scénario proposé maintenant, ce n'est qu'après cette fusion que le disque mince serait né et la formation stellaire dans le disque épais aurait continué jusqu'à ce que son contenu en gaz soit largement épuisé environ 6 milliards d'années après le Big Bang. Pendant ce temps, la métallicité du disque épais aurait augmenté de plus d'un facteur 10.

En bonus, les astrophysiciens ont déterminé que la métallicité dans ce disque était relativement uniforme, ce qui implique que des processus de brassage turbulent ont assuré un transport et un mélange efficace des éléments nouvellement formés et libérés dans le milieu interstellaire par des explosions de supernovae.

Ce scénario est peut-être celui de bien des grandes galaxies spirales. On le découvrira peut-être avec les observations que va faire dans la décennie à venir le télescope spatial James-Webb.