Notre Galaxie, la Voie lactée, est considérée comme de taille moyenne. Son diamètre est estimé à 100.000 années-lumière. Elle abrite entre 100 et 400 milliards d’étoiles. C’est une galaxie spirale barrée, c’est-à dire est une galaxie spirale dont les bras spiraux n’émergent pas du centre de la galaxie, mais d’une barre constituée d’étoiles traversant ce centre. Elle contient néanmoins un halo d’étoiles tout autour du disque galactique. La densité d’étoiles y est plus faible Comme la plupart des galaxies à disque, elle s’est formée principalement par des collisions avec d’autres galaxies plus petites. Elle les a ensuite attirées petit à petit, jusqu’à ce que les deux systèmes ne fassent plus qu’un.
Aujourd’hui, des chercheurs ont étudié une autre partie de notre Galaxie : ce qu’ils appellent son noyau . Il s’agit des étoiles qui se situeraient près du centre et dateraient des premiers instants de la Voie lactée, soit moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Les résultats de leur étude ont été prépubliés sur le serveur arXiv. On en trouvera ci-dessous les références et l’abstract.
Dans ce que l’on nomme l’archéologie galactique, les chercheurs tentent de comprendre l’histoire de la formation des galaxies, qu’il s’agisse de la nôtre ou de celles qui l’entourent. Or, d’après l’étude citée, deux scénarios peuvent mener à une galaxie à disque aussi massive que la Voie Lactée. Il se forme d’abord un noyau primitif, composé d’étoiles pauvres en métaux, comportant principalement de l’hydrogène et de l’hélium. Ceci parce qu’au tout début de l’Univers, seuls les éléments les plus légers étaient présents. Des nuages plus denses, appelés protogalaxies, se sont ensuite formés, et c’est à partir d’eux que les premières étoiles, puis les galaxies, sont nées Les éléments plus lourds que l’hélium, qualifiés de « métaux » en astrophysique, ne se sont répartis dans le milieu stellaire qu’après la formation des premières supernovas. On nomme ainsi des explosions d’étoiles massives en fin de vie. Ainsi, selon l’étude, « les galaxies à disques massifs comme la Voie lactée hébergent une population stellaire ancienne, pauvre en métaux et concentrée au centre ».
A la suite de la création de ce premier noyau se produisent les fusions entre galaxies s’accompagnant de la formation d’étoiles primitives : « dans le contexte de la formation hiérarchique de galaxies à disques massifs comme la Voie lactée, nous devrions nous attendre à ce que les étoiles les plus anciennes et les plus pauvres en métaux se soient formées au sein d’une des surdensités principales qui ont fusionné tôt pour former la protogalaxie, ou se soient formées tôt dans des galaxies satellites distinctes qui ont finalement fusionné avec le corps principal. Le premier chenal est communément appelé formation in situ, le second formation accumulée dite aussi formation accrétée ». Le but des chercheurs était de distinguer ces deux scénarios.
Ainsi donc la création d’étoiles au sein d’un nuage d’hydrogène et d’hélium, puis différentes collisions ont conduit à l’agrandissement de la Voie Lactée. Les chercheurs évoquent également une collision avec la galaxie Gaïa-Encelade il y a 11,5 milliards d’années et plusieurs collisions successives avec la galaxie satellite naine du Sagittaire, toujours en orbite aujourd’hui autour de la Voie lactée. En plus de ces deux événements bien connus aujourd’hui-, l’étude évoque d’autres indices caractéristiques d’une galaxie agrandie par accrétion : « Un nombre croissant de composants supplémentaires accrétés distincts de la Galaxie ont été identifiés ».
18.000 étoiles retrouvées avec une métallicité très faible
Pour retrouver le noyau in situ, les chercheurs identifié environ 2 millions d’étoiles géantes, situées à moins de 30° du centre galactique, dans la direction de la constellation du Sagittaire. Ils ont ensuite entrepris de calculer leur métallicité, en se basant sur la quantité de fer relative de ces étoiles par rapport à l’hydrogène, et en comparant avec le Soleil. Pour cela, ils ont utilisé les dernières données récoltées par le satellite Gaia, dévoilées le 12 juillet 2022. Et ils ont dénombré un amas de 18.000 étoiles, à la fois anciennes, datant d’il y a près de 12,5 milliards d’années, et pauvres en métal ! Le tout pour une masse mesurée de 5.107 masses solaires, mais évalué à 108 masses solaires en prenant en compte l’obscurcissement par la poussière, soit environ 0,2 % de la masse totale de la galaxie.
Jusqu’à aujourd’hui, des étoiles anciennes et pauvres en métallicité avaient été trouvées, comme SDSS J102915+172927 âgée d’environ 13 milliards d’années, ou encore HE 1523-0901, la plus âgée de la galaxie, située dans le halo galactique. Mais elles se trouvent toutes isolées : c’est la première fois qu’un tel amas aussi ancien est trouvé ! L’étude explique aussi que les étoiles trouvées « ne montrent aucune rotation nette », contrairement aux étoiles de métallicité supérieure qui sont « dominées par la rotation ». Un résultat qui témoigne d’autant plus de l’ancienneté de ces étoiles, formées alors que la galaxie n’en était pas encore une, et n’avait pas encore enclenché sa rotation !
Ainsi, pour les chercheurs, « toutes ces informations correspondent à une image dans laquelle ce cœur pauvre en métaux de la Voie lactée constitue le composant proto-galactique le plus ancien de notre Galaxie ». Ils concluent en expliquant que leurs résultats « ne désignent en aucun cas une nouvelle composante stellaire distincte de la Voie lactée », et que « la distribution spatiale de cette population mérite d’être modélisée quantitativement ». Des études supplémentaires permettront d’en savoir plus sur ce noyau in situ de la Voie Lactée et ainsi sur son passé.
Référence
The Poor Old Heart of the Milky Way
Submitted on 6 Sep 2022]
Massive disk galaxies like our Milky Way should host an ancient, metal-poor, and centrally concentrated stellar population. This population reflects the star formation and enrichment in the few most massive progenitor components that coalesced at high redshift to form the proto-Galaxy. While metal-poor stars are known to reside in the inner few kiloparsecs of our Galaxy, current data do not yet provide a comprehensive picture of such a metal-poor « heart » of the Milky Way. We use information from Gaia DR3, especially the XP spectra, to construct a sample of 2 million bright (BP <15.5 mag) giant stars within 30∘ of the Galactic Center with robust [M/H] estimates, δ [M/H] ≲0.1. For most sample members we can calculate orbits based on Gaia RVS velocities and astrometry. This sample reveals an extensive, ancient, and metal-poor population that includes ∼18,000 stars with −2.7< [M/H] <−1.5, representing a stellar mass of ≳5×107 M⊙. The spatial distribution of these [M/H] <−1.5 stars has a Gaussian extent of only σRGC∼2.7 kpc around the Galactic center, with most of these orbits being confined to the inner Galaxy. At high orbital eccentricities, there is clear evidence for accreted halo stars in their pericentral orbit phase. Stars with [M/H] <−2 show no net rotation, whereas those with [M/H] ∼−1 are rotation dominated. Most of the tightly bound stars show [α/Fe]-enhancement and [Al/Fe]-[Mn/Fe] abundance patterns expected for an origin in the more massive portions of the proto-Galaxy. These central, metal-poor stars most likely predate the oldest part of the disk (τage≈12.5 Gyrs), which implies that they formed at z≳5, forging the proto-Milky Way.
| Subjects: | Astrophysics of Galaxies (astro-ph.GA) |
| Cite as: | arXiv:2209.02722 [astro-ph.GA] |
| (or arXiv:2209.02722v1 [astro-ph.GA] for this version) | |
| https://doi.org/10.48550/arXiv.2209.02722 Focus to learn more |
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