Le « pauvre vieux cœur » de la Voie lactée est découvert et éclaire la formation de la galaxie

Le « Pauvre Vieux Cœur » De La Voie Lactée

Un groupe d’astronomes de l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) en Allemagne a réussi à identifier le « pauvre vieux cœur de la Voie lactée » – un noyau qui contient des étoiles restantes de l’histoire la plus ancienne de notre galaxie.

Pour cet exploit « d’archéologie galactique », les chercheurs ont analysé les dernières données de la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA), en utilisant un réseau de neurones pour mesurer la métallicité de deux millions d’étoiles géantes brillantes dans la région centrale de la Voie lactée.

Catalogue avec 24 millions detoiles et revele lhistoire chimique de
Des scientifiques de l’Institut Max Planck d’astronomie ont localisé et analysé le cœur de la Voie lactée. Image : NASA/Reproduction

Analyser les éléments constitutifs de la Voie lactée

Notre galaxie s’est formée progressivement au cours de la quasi-totalité de l’histoire de l’univers, qui s’étend sur 13 milliards d’années. Au cours des dernières décennies, les astronomes ont réussi à reconstituer différentes phases de l’évolution galactique de la même manière que les archéologues reconstruiraient l’histoire d’une ville – en analysant les éléments constitutifs (certains plus anciens, certains plus récents, certains déjà en ruines, d’autres bien conservé, etc.).

L’archéologie cosmique fonctionne de manière très similaire. Les éléments de base d’une galaxie sont ses étoiles. En examinant la structure d’un petit sous-ensemble d’étoiles, les astronomes peuvent déduire précisément leur âge.

Le pauvre vieux coeur de la Voie lactee
La carte des étoiles géantes pauvres en métaux identifiées à partir des données du vaisseau spatial Gaia de l’ESA montre le « pauvre vieux cœur » de la Voie lactée. Crédits : H.-W. Rix / MPIA

Pour presque toutes les étoiles, il existe un « style de construction » qui permet de se prononcer sur leur âge, c’est ce qu’on appelle la métallicité, définie comme la quantité d’éléments chimiques plus lourds que l’hélium que contient son atmosphère.

Ces éléments, que les astronomes appellent « métaux », sont produits dans les étoiles par fusion nucléaire et libérés vers ou à la fin de leur vie lorsqu’ils explosent en supernovae.

Ainsi, chaque génération d’étoiles « ensemence » le gaz interstellaire à partir duquel se forme la génération suivante. Généralement, chaque génération a une métallicité plus élevée que la précédente.

En ce qui concerne les structures à plus grande échelle, tout comme dans une ville, la distribution spatiale est importante. Mais parce qu’une galaxie est moins statique qu’une ville – les bâtiments ne bougent pas, contrairement aux étoiles – les modèles de mouvement encodent également des informations importantes.

Alors que les villes peuvent traverser des périodes de construction ou de remodelage intensif, l’histoire des galaxies est façonnée par les fusions et les collisions, ainsi que par les grandes quantités d’hydrogène frais qui s’écoulent des galaxies pendant des milliards d’années, la matière première pour la production de nouvelles étoiles.

évolution galactique

L’histoire d’une galaxie commence par des protogalaxies plus petites : des régions primitives super denses, formées peu après le Big Bang, dans lesquelles les nuages ​​de gaz s’effondrent pour former des étoiles.

Au fil du temps, les protogalaxies entrent en collision et fusionnent, formant de plus grandes galaxies. La fusion de deux galaxies suffisamment grandes (« grande fusion ») chauffe leurs réservoirs de gaz, formant une galaxie elliptique incapable de générer de nouvelles étoiles. Ils montrent donc un modèle complexe d’orbites pour les plus anciennes étoiles existantes.

Pour reconstituer ce type d’histoire, il est nécessaire de combiner des observations de plus en plus détaillées avec des simulations de plus en plus sophistiquées.

La Voie lactée est la galaxie dont nous pouvons examiner le mieux et le plus attentivement les étoiles. L’archéologie galactique nous permet non seulement de reconstruire des parties de notre propre histoire plus large, mais aussi d’apprendre quelque chose sur l’évolution des galaxies en général (« cosmologie locale »).

Pour cela, les chercheurs du MPIA ont utilisé les données du satellite Gaia et du relevé spectral chinois LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) pour déterminer l’âge des étoiles dans un échantillon sans précédent de 250 000 sous-géantes. Les résultats ont été publiés dans la revue No. Revue d’Astrophysique.

À partir de cette analyse, ils ont pu reconstituer les conséquences de l’adolescence passionnante de la Voie lactée, qui s’est produite il y a 11 milliards d’années, et de son âge adulte plus établi.

Selon l’étude, l’adolescence a coïncidé avec la dernière fusion significative d’une autre galaxie, appelée Gaia Encelade-Shaggy, dont les restes ont été retrouvés en 2018, dans la Voie lactée.

Cette fusion a déclenché une phase intense de formation d’étoiles et a conduit à un disque d’étoiles relativement épais que nous pouvons encore voir aujourd’hui.

L’âge adulte, en revanche, consistait en un afflux modéré d’hydrogène gazeux, qui s’est installé dans le mince disque étendu de notre galaxie, avec la formation lente mais continue de nouvelles étoiles sur des milliards d’années.

Ce que les astronomes ont remarqué, c’est que les étoiles les plus âgées de leur échantillon adolescent avaient déjà une métallicité considérable, environ 10 % supérieure à la métallicité de notre Soleil. Par déduction, avant la formation de ces étoiles, il devait y avoir eu des générations précédentes d’étoiles qui ont pollué le milieu interstellaire avec des métaux.

Prédictions de simulation confirmées

Selon les auteurs de la nouvelle étude, l’existence de ces générations précédentes était conforme aux prédictions des simulations de l’histoire cosmique. Ces simulations ont également prédit où les représentants survivants de ces générations précédentes pourraient raisonnablement se trouver.

Plus précisément, dans ces simulations, la formation initiale de ce qui est devenu plus tard notre Voie lactée impliquait trois ou quatre protogalaxies qui se sont formées à proximité puis ont fusionné les unes avec les autres, leurs étoiles s’installant en un noyau relativement compact, de pas plus de quelques mille années-lumière de diamètre.

Des ajouts ultérieurs de galaxies plus petites conduiraient à la création de diverses structures de disque et de halo. Mais, d’après les simulations, on peut s’attendre à ce qu’une partie de ce noyau initial survive relativement indemne à ces développements ultérieurs.

Selon les recherches, il devrait être possible de trouver des étoiles du premier noyau compact, l’ancien cœur de la Voie lactée, dans et à proximité des régions centrales de notre galaxie, même aujourd’hui, des milliards d’années plus tard.

En plus de ces étoiles rares pour lesquelles nous pouvons déterminer des âges spécifiques, il existe l’indicateur plus général de la métallicité stellaire – les « divers styles de construction » qui nous permettent de classer les étoiles en plus anciennes et plus jeunes.

Parce qu’ils savaient que leur analyse devait atteindre les régions centrales de la Voie lactée, les auteurs de la nouvelle étude ont spécifiquement examiné les étoiles géantes rouges de l’échantillon de Gaia.

Les géantes rouges typiques sont environ cent fois plus brillantes que les sous-géantes et facilement visibles même dans les régions centrales éloignées de notre galaxie. Ces étoiles ont également l’avantage supplémentaire que les caractéristiques spectrales qui encodent leur métallicité sont relativement visibles, ce qui les rend particulièrement bien adaptées au type d’analyse que les astronomes prévoyaient, en appliquant des méthodes d’apprentissage automatique.

La propriété principale de l’apprentissage automatique est que les stratégies de solution ne sont pas explicitement programmées. Au lieu de cela, au cœur de l’algorithme se trouve un réseau neuronal, avec des similitudes superficielles avec la façon dont les neurones sont organisés dans le cerveau humain.

Ce réseau de neurones est ensuite formé : étant donné les combinaisons de tâches et leurs solutions, et les connexions entre l’entrée et la sortie ajustées de sorte que, au moins pour l’ensemble d’apprentissage, le réseau puisse produire la sortie correcte compte tenu d’une entrée spécifique.

Dans ce cas précis, le réseau de neurones a été formé en utilisant des spectres Gaia sélectionnés comme entrée – en particulier : des spectres Gaia pour lesquels la bonne réponse, la métallicité, était déjà connue. La structure interne du réseau a été adaptée pour que, au moins pour l’ensemble de formation, il puisse reproduire les métallicités correctes.

Ouvrir la « boîte noire » de la Voie Lactée

Un défi général dans l’utilisation de l’apprentissage automatique en science est que, de par sa nature même, le réseau de neurones est une «boîte noire» – sa structure interne a été formée par le processus de formation et n’est pas sous le contrôle direct des scientifiques.

C’est pourquoi les chercheurs n’ont formé leur réseau de neurones que sur la moitié des données pour commencer. Dans un deuxième temps, l’algorithme a ensuite été mis en place pour faire ses preuves face aux autres, en étant capable de déduire des métallicités très précises, même pour des étoiles qui n’avaient jamais été trouvées auparavant.

Maintenant que les chercheurs ont non seulement entraîné leur réseau de neurones, mais également veillé à ce qu’il puisse obtenir des résultats précis pour les spectres qu’ils n’avaient pas rencontrés au cours de leur formation, ils ont appliqué l’algorithme à leur ensemble complet de données géantes rouges de spectres Gaia.

Une fois les résultats publiés, les chercheurs ont eu accès à un échantillon d’étoiles de métallicités précises d’une taille sans précédent, composé de 2 millions de géantes brillantes dans la galaxie intérieure.

Avec cet échantillon, il était facile d’identifier le cœur de la Voie lactée – une population d’étoiles surnommée par les scientifiques le « pauvre vieux cœur », compte tenu de sa faible métallicité, de son âge déduit et de sa position centrale.

Sur une carte du ciel, ces étoiles semblent concentrées autour du centre galactique. Les distances commodément fournies par Gaia (via la méthode de parallaxe) permettent une reconstruction 3D qui montre les étoiles confinées dans une région relativement petite autour du centre, d’environ 30 000 années-lumière de diamètre.

Les étoiles en question ont juste la bonne métallicité pour avoir produit la plus pauvre en métal de ces étoiles qui ont ensuite formé le disque épais de la Voie lactée. Parce que cette étude a fourni une chronologie de la formation des disques épais, cela donne au cœur de la Voie lactée un âge approximatif de 12,5 milliards d’années.

Les analyses spectrales ont révélé une abondance d’éléments tels que l’oxygène, le silicium et le néon dans ces étoiles. Ces éléments peuvent être obtenus en ajoutant successivement des particules alpha (noyaux d’hélium-4) à des noyaux existants dans un processus appelé « amplification alpha ».

Leur présence dans les quantités observées indique que les premières étoiles ont obtenu leurs métaux d’un environnement dans lequel des éléments plus lourds ont été produits sur des échelles de temps relativement courtes grâce aux explosions de supernova d’étoiles massives.

Supernova
Les métaux sont produits dans les étoiles par fusion nucléaire et libérés vers ou à la fin de leur vie lorsqu’ils explosent en supernovae. Image : M. Somchat Parkaythong/

Ceci est beaucoup plus cohérent avec le fait que ces étoiles se forment directement après la fusion des premières protogalaxies pour former le noyau initial de la Voie lactée, plutôt que d’être déjà présentes dans les galaxies naines qui ont formé le noyau initial de notre galaxie ou ont fusionné avec elle plus tard.

Lire la suite:

Alors que les informations tirées de la vision globale de Gaïa sont révolutionnaires en démontrant l’existence continue du « pauvre vieux cœur » de la Voie lactée, cette découverte donne envie aux astronomes d’en savoir encore plus.

Serait-il possible d’obtenir des spectres plus détaillés pour toutes ces étoiles, permettant une analyse plus fine de leur composition chimique ? Vont-ils tous montrer une amélioration alpha, cohérente avec leur formation dans le premier noyau de la Voie lactée ?

D’après le site phys.orgles spectres d’accompagnement pris dans le cadre de la recherche récemment lancée par le MPIA, ainsi que d’autres études en phase d’achèvement, promettent de fournir les informations nécessaires pour répondre à ces questions clés.

Avez-vous regardé les nouvelles vidéos sur Youtube du look numérique ? Abonnez-vous à la chaîne !