Découverte : des étoiles exotiques dans notre galaxie

Vue d’artiste du disque de notre galaxie vue par la tranche. © ESO
Une des premières études réalisées avec les nouvelles données du satellite Gaia indique que deux populations d’étoiles vivent dans le halo de la Voie lactée. L’une d’elles pourrait avoir une origine extragalactique.

Une des avancées permises par le deuxième catalogue de données du satellite Gaia était bien cachée dans les méandres d’un diagramme Hertzsprung-Russell (ou diagramme H-R). Conçu au XXe siècle, ce graphique résume toutes les étapes de la vie d’une étoile. Notre Soleil et la plupart des étoiles se trouvent sur la branche centrale du diagramme, aussi appelée séquence principale, qui regroupe les étoiles arrivées à l’âge adulte. Leur réacteur nucléaire fonctionne à plein régime, elles consomment l’hydrogène de leur cœur pour le transformer en hélium.

Justement, selon les observations de Gaia, les étoiles de la séquence principale vivant dans le halo de la Voie lactée se scindent en deux groupes différents. Ce phénomène semble unique à cette région gigantesque qui englobe le disque de notre galaxie.

Deux compositions, deux populations stellaires

C’est en analysant le diagramme H-R par le prisme des cinématiques (autrement dit des vitesses) que les deux populations stellaires se sont révélées. La branche centrale du diagramme se sépare en deux, indiquant deux populations stellaires âgées (VT>200 km/s) ayant des mouvements différents.

Diagrammes H-R fait sur trois groupes d’étoiles ayant une vitesse différente (indiquée en haut). MG est la magnitude et
Gb-Gr, le type spectral de l'étoile (à 0 elle est bleue/blanche, à 4 elle est rouge). Sur le groupe de droite, la séquence principale (zone jaune)
se dédouble, trahissant deux populations stellaires différentes.

Mais ce n’est pas leur seule divergence : ces deux groupes d’étoiles n’ont pas la même métallicité. Chez les astronomes, la métallicité constitue la composition d’une étoile en métaux, c’est-à-dire en éléments chimiques plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. Une des populations stellaires possède une composition classique en métaux, alors que la seconde est bien plus pauvre.

La métallicité est liée à un troisième facteur, l’ancienneté. En effet, une étoile ancienne s’est formée à partir de gaz généralement pauvre en métaux. Les étoiles plus récentes se sont formées à partir de gaz et de matière enrichis par les étoiles de la génération précédente lors de leur explosion en supernovae. Dans ce cas précis, la différence d’âge serait de deux milliards d’années. Cela peut paraître beaucoup, mais ce n’est pas suffisant pour expliquer une telle différence de composition, surtout dans le cas de ces populations déjà anciennes. Carine Babusiaux, astronome à l’observatoire de Grenoble et auteure de l’étude, évoque une autre raison : « La métallicité dépend aussi de la manière dont ces étoiles se sont formées. » Leurs différences de composition et de mouvement résulteraient donc de deux histoires distinctes.

Deux populations stellaires, deux origines

Notre galaxie est formée de plusieurs structures qui répondent à des dynamiques propres. Le disque mince de la Voie lactée s’étend sur le plan de l’équateur galactique. Ses étoiles sont jeunes et se sont formées lentement à partir des gaz environnants. Le disque épais et le halo galactique (il n’y a pas de frontière nette entre les deux) sont situés autour du plan galactique et contiennent majoritairement des étoiles âgées. C’est là qu’évoluent les deux populations d’étoiles détectées par la sonde Gaia.

La première population stellaire s’est formée à partir des gaz pauvres en métaux présents dans la jeune Voie lactée. Rapidement, les ressources se sont épuisées, mettant un frein à la formation stellaire.

La machine aurait redémarré suite à l’apport de matière extragalactique. Deux hypothèses sont possibles selon Françoise Combes, astrophysicienne à l’observatoire de Paris : « Cette population d’étoiles peut s’être formée à partir de la matière composant les filaments cosmiques ou par accrétion avec une autre galaxie. » Par effets de marées, notre galaxie aurait aspiré de la matière des filaments cosmiques, structures gigantesques comparables à une toile d’araignée constituée de galaxies et d’étoiles.

Les interactions de la galaxie naine du Sagittaire avec notre Voie lactée a pu donner lieu
à des échanges de gaz et de matière. © Nasa/JPL-Caltech

Le deuxième scénario fait intervenir une des galaxies qui accompagnent la nôtre, la galaxie naine du Sagittaire. Elle est très proche de la Voie lactée et, lors d’une rencontre, aurait pu échanger des gaz et de la matière, voire des étoiles déjà formées avec la nôtre. Dans les deux cas, une nouvelle population d’étoiles aurait émergé de cet environnement rendu à nouveau fertile par cet apport de matière extérieure. Comme elle vient d’ailleurs, sa composition chimique serait différente de celle de la Voie lactée. Les étoiles nées du nuage de gaz galactique et celles nées de la matière extragalactique ont donc une métallicité différente et divergent dans le diagramme H-R.

Ces deux scénarios sont les plus probables, mais il en existe sans doute d’autres capables d’expliquer cette divergence. Reste à savoir lequel est le bon : « Je suis sûre que des spécialistes de la modélisation numériquevont bientôt nous éclairer sur ce point », explique Carine Babusiaux. Grâce aux données extrêmement précises moissonnées par Gaia, les astronomes sont capables de remonter le temps. À travers les étoiles, qui gardent en elles les traces de leur formation, ils peuvent comprendre les mécanismes lointains qui ont façonné la Voie lactée, tels des archéologues galactiques.

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