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Les découvertes de Gaia La dernière fusion majeure de la Voie Lactée (II) Alors qu'il y a encore quelques générations, on imaginait que les galaxies subissaient peu de collisions, en réalité il s'avère qu'elles en subissent énormément - des dizaines en quelques milliards d'années - principalement avec des galaxies naines qu'elles absorbent et qui contribuent à augmenter leur masse et modifier leur forme. La Voie Lactée n'a pas échappé à cette règle et s'est développée en absorbant des dizaines de galaxies naines (voir plus bas). Chaque collision-fusion déclencha des ondes de densité suivie de la formation de courants stellaires, de queues de marées et parfois de coquilles dont les effets se répercutent encore de nos jours sur différentes familles d'étoiles, affectant leur mouvement et leur comportement dans l'espace, tout en s'amortissant et se dissipant. L'équipe de Thomas Donlon de l'Institut polytechnique Rensselaer de Troy, dans l'État de New York aux Etats-Unis, et de l'Université d'Alabama à Huntsville a étudié les données de Gaia, en particulier comment ces ondes et autres coquilles se dissipent au fil du temps afin de retracer le moment où la Voie Lactée connut sa dernière fusion (merge) majeure. Selon les auteurs, "cela s'est produit des milliards d'années plus tard que prévu." Ces ondes galactiques furent découvertes en 2018 dans les données de Gaia et firent l'objet d'un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2020 par l'équipe de Thomas Donlon (avec un résumé sur le site de l'ESA en 2024). C'est la première équipe de chercheurs qui détermina avec précision l'époque de cette collision, après avoir comparé les observations avec des simulations cosmologiques. A voir : Une galaxie naine entrant en collision avec la Voie Lactée, ESA Fichier .MP4 de 5.44 MB
Pour rappel, le halo de notre Galaxie contient un grand groupe d'étoiles aux orbites inhabituelles, dont beaucoup auraient été absorbées par la Voie Lactée lors d'un évènement que les astronomes appellent la "dernière fusion majeure". Comme son nom l’indique, c'est la dernière fois que notre Galaxie subit une collision significative avec une autre galaxie – supposée être une galaxie naine massive qui apporta à la Voie lactée une quirielle d'étoiles qui passèrent très près du centre de la Galaxie. Les chercheurs avaient daté cette fusion entre 8 et 11 milliards d'années, lorsque la Voie Lactée était encore relativement jeune, collision connue sous le nom de Gaia-Sausage-Encelade ou GSE (voir plus bas). Mais les données de Gaia DR3 publiées en 2022 suggèrent désormais qu'une autre fusion aurait pu donner naissance à des étoiles inhabituellement mobiles. Selon sa collègue Heidi Jo Newberg, professeure de physique, physique appliquée et d'astronomie à l'Institut Polytechnique Rensselaer de l'Institut Polytechnique Rensselaer et coautrice de cet article, "Pour que les ondes stellaires soient aussi claires qu'elles apparaissent dans les données de Gaia, elles doivent nous avoir atteints il y a moins de 3 milliards d'années – c'est-à-dire au moins 5 milliards d'années plus tard qu'on ne le pensait auparavant. De nouvelles ondes stellaires se forment à chaque fois que les étoiles se dépacent d'avant en arrière au centre de la Voie Lactée. Si elles nous avaient atteints il y a 8 milliards d’années, il y aurait tellement d'ondes les unes à côté des autres que nous ne les verrions plus comme des éléments distincts." Il existe des preuves que la fusion de GSE s'est produite très tard dans l’histoire de la Voie Lactée. Cependant, selon des travaux récents, les chercheurs se demandent si une ancienne fusion massive est réellement nécessaire pour expliquer les propriétés actuelles de la Voie Lactée et si toutes les étoiles initialement associées à GSE sont issues du même évènement de fusion. Car selon les données de Gaia DR3, ce n'est pas le cas. La Fusion Radiale de la Vierge (VRM) Dans le même article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2020, l'équipe de Donlon précitée annonça la découverte d'une collision latérale survenue il y a plusieurs milliards d'années entre une galaxie naine et la Voie Lactée. En comparant ces ondes stellaires à des simulations de différentes fusions possibles, les chercheurs ont suggéré qu'au lieu de provenir de l'ancienne fusion de GSE, ces ondes et coquilles stellaires proviendraient d'un évènement plus récent que les chercheurs ont surnommé la "Fusion Radiale de la Vierge" (Virgo Radial Merger ou VRM). Cette découverte est doublement intéressante car il s'agit des premières structures en coquilles de ce type découvertes dans la Voie Lactée.
Cette découverte fait suite à l'identification par plusieurs astronomes d'une surdensité d'étoiles dans la constellation de la Vierge il y a plusieurs décennies (cf. A.K. Vivas et al., 2001; R.Ibata et al., 2001). Les études ont révélé que certaines de ces étoiles se déplacent dans notre direction tandis que d'autres s'éloignent, ce qui est inabituel car un groupe d'étoiles voyage généralement de concert. Selon Newberg qui est experte du halo de la Voie Lactée, "Ce groupe d'étoiles avait tout un tas de vitesses différentes, ce qui était très étrange. Mais maintenant que nous voyons leur mouvement dans son ensemble, nous comprenons pourquoi les vitesses sont différentes, et pourquoi elles se déplacent comme elles le font." Sur la base de nouvelles données, les chercheurs ont proposé dans un article publié en 2019 que la surdensité était le résultat d'une fusion radiale. Les structures en coquilles représentent des plans d'étoiles incurvés comme des parapluies laissés lorsque la galaxie naine fut disloquée, rebondissant littéralement de haut en bas à travers le centre de la Voie Lactée dans un mouvement de va-et-vient graduellement amorti, chaque écrasement au centre engendrant la formation d'une nouvelle structure en coquille. Sur la base des données du SDSS (Sloan Digital Sky Survey), du satellite Gaia et du télescope LAMOST installé en Chine, les chercheurs ont identifié deux structures en coquille dans la surdensité de la Vierge et deux autres dans la région du nuage Hercules Aquila (HAC). Des simulations ont permis de reproduire la séquence complète de collision et de calculer quand elle s'était produite. Cette fusion engendra une série de formations stellaires en forme de coquilles révélatrices à proximité de la constellation de la Vierge comme le montre la simulation présentée à gauche. La modélisation informatique des coquilles et du mouvement des étoiles indique que la galaxie naine traversa pour la première fois le centre de la Voie Lactée il y a ~2.7 milliards d'années. Ces fusions dites marémotrices sont assez courantes et on en trouve de nombreuses traces dans le halo galactique sous forme de longs rubans d'étoiles se déplaçant à l'unisson dans le halo. On reviendra sur les autres collisions. Avec le temps, les fusions radiales ou latérales violentes sont devenues beaucoup plus rares. Les plus connues ont été découvertes dans des galaxies éloignées (cf. les interactions entre galaxies). Thomas Donlon qui est le principal auteur de l'article sur la Fusion Radiale de la Vierge publié en 2019 fut le premier à proposer une fusion latérale. En effet, alors qu'avec ses collègues ils modélisaient le mouvement de la surdensité de la Vierge, ils ont réalisé que c'est le même type de fusion qui provoque les grandes coquilles multiples qu'on observe dans certaines galaxies comme NGC 474/NGC 470 alias Arp 227. Selon Donlon, "L'une des différences est que nous sommes à l'intérieur de la Voie Lactée, donc nous avons une perspective différente, et c'est aussi une galaxie à disque et nous n'avons pas autant d'exemples de structures en coquilles dans ce type de galaxie." A
voir : The Milky Way's Shell Structure Reveals the Time of a Radial Collision Simulation of the Virgo Radial Merger (VRM) Cette découverte a des implications potentielles pour un certain nombre d'autres phénomènes stellaires, y compris la formation Gaia-Sausage (la "saucisse de Gaia"), une formation d'étoiles qui résulterait de la fusion d'une galaxie naine il y a 8 à 10 milliards d'années (voir plus bas). Des travaux antérieurs ont soutenu l'idée que la Fusion Radiale de la Vierge et Gaia-Sausage résultaient du même évènement. Mais l'estimation d'âge beaucoup plus basse pour la Fusion Radiale de la Vierge signifie que soit les deux évènements sont différents soit que Gaia-Sausage est beaucoup plus jeune et n'aurait pas pu provoquer la création du disque épais de la Voie Lactée, comme on l'affirma en 2018. Un modèle en spirale fut également découvert dans les données de position et de vitesse des étoiles proches du Soleil, parfois appelé "l'escargot de Gaia" (voir plus bas), et un autre évènement hypothétique appelé "Splash", peuvent également être associés à la Fusion Radiale de la Vierge. Selon Newberg, "Il y a beaucoup de liens potentiels avec cette découverte. La Fusion Radiale de la Vierge ouvre la porte à une meilleure compréhension d'autres phénomènes que nous voyons et ne comprenons pas complètement, et qui pourraient très bien avoir été affectés par quelque chose qui est tombé en plein milieu de la Galaxie il y a moins de 3 milliards d'années." Depuis cette découverte, l'équipe de Thomas et Newberg a approfondi le sujet, affinant lentement l'idée selon laquelle de nombreuses étoiles et débris étrangement mobiles dans le halo interne de la Voie Lactée furent absorbés par la Galaxie suite à une collision avec une galaxie naine survenue beaucoup plus récemment que l'évènement GSE. Ils ont également suggéré que les étoiles initialement associées à GSE pourraient provenir de multiples fusions, certaines plus anciennes. Thomas résume la situation actuelle : "L'histoire de la Voie Lactée est actuellement constamment réécrite, en grande partie grâce aux nouvelles données de Gaia. Notre vision du passé de la Voie Lactée a radicalement changé depuis dix ans, et je pense que notre compréhension de ces fusions continuera à évoluer rapidement." Gaia-Sausage : une collision majeure qui changea la Voie Lactée Dans un article publié dans les "MNRAS" en 2018 (en PDF sur arXiv), sur base d'un relevé partiel réalisé par Gaia des paramètres de 7 millions d'étoiles proches du Soleil, l'équipe de Vasiuly Belokurov de l'Université de Cambridge (GB) a découvert que la distribution de ces étoiles n'était pas régulière, la plupart présentant des trajectoires très radiales et des vitesses élevées qui les ont conduites très près du centre de la Galaxie. C'est un signe révélateur que la Voie Lactée fut percutée par une galaxie naine placée sur une orbite très excentrique qui scella son destin. Comme on le voit ci-dessous, la distribution de ces étoiles (en rouge) est le résultat d'une collision survenue il y a 8 à 11 milliards d'années entre la Voie Lactée et une petite galaxie surnommée "Sausage" (Saucisse) en raison de la distribution caractéristique des étoiles. Celles-ci gravitent à peu près toutes à la même distance du centre de la Galaxie. On observe également des demi-tours impliquant que la densité dans le halo stellaire de la Voie Lactée diminue considérablement à l'endroit où les étoiles inversent leur course. Ce phénomène de "U-Turn" typique d'une relaxation avait déjà été prédit en 2013 par Alis Deason de l'Université de Durnham qui avait suggéré qu'il était associé à un évènement d'accrétion massif très ancien (cf. A.Deason et al., 2013). Sa prédiction s'est avérée correcte.
Cette collision fut l'une des plus importantes que connut la Voie Lactée et déforma sa structure, tant son bulbe que le halo. La galaxie naine n'a pas survécu à l'interaction et s'est rapidement disloquée, ses constituants étant aujourd'hui éparpillés tout autour de nous sous forme d'étoiles animées de vitesses radiales élevées. Ces étoiles sont ce qui reste de la dernière fusion majeure de la Voie Lactée. Ceci dit, comme nous l'avons expliqué, la Voie Lactée continue d'entrer en collision avec d'autres galaxies, notamment avec la galaxie naine SagDEG. Toutefois, la galaxie "Sausage" était beaucoup plus massive. Sa masse totale (virielle) en gaz, étoiles et matière sombre a été estimée à environ 50 milliards de masses solaires, soit 500 fois supérieure à celle de SagDEG. Sur base de simulations de cette fusion réalisée par Denis Erkal de l'Université de Surrey et coauteur de cet article, les chercheurs ont conclu que la masse importante de ce mergeur provoqua beaucoup de "dégâts" et de perturbations. Les étoiles suivant des orbites très allongées, le disque de la Voie Lactée s'est probablement épaissi ou s'est même fracturé suite à l'impact et a dû être reconstruit au fil des interactions gravitationnelles. Les débris de la galaxie naine s'étant éparpillés tout autour des parties internes de la Voie Lactée, ils ont accentué voire même créé la barre du bulbe central galactique et le halo stellaire environnant car cette galaxie était assez massive pour amener avec elle près d'une dizaine d'amas globulaires dont probalement NGC 2808 comme le confirma cette autre étude publiée par l'équipe de G.C. Myeong en 2018. Mais comme nous l'avons expliqué plus haut à propos de la Fusion Radiale de la Vierge (les coquilles stellaires découvertes dans la Voie Lactée), il faut replacer cet évènement dans son contexte et notamment par rapport aux autres collisions pour comprendre quelle fusion contribua à quelle partie de la Voie Lactée, un puzzle qui n'est pas facile d'assembler. Les Courants d'Helmi
Après avoir étudié pendant 22 mois des millions d'étoiles de la Voie Lactée grâce à Gaia, dans un article publié dans la revue "Nature" en 2018, l'expert en archéologie galactique Amina Helmi de l'Université de Groningen, aux Pays-Bas, et ses collègues ont découvert qu'un groupe de 30000 étoiles se déplaçait de manière synchronisée dans le voisinage du Soleil dans la direction opposée au reste de leur échantillon de sept millions d'étoiles. Ce modèle de mouvement atypique correspondait à ce que les scientifiques avaient précédemment observé dans des simulations informatiques modélisant des collisions et des fusions galactiques. En terme de couleur et de luminosité, les étoiles de ce groupe surnommé les "Courants d'Helmi" occupent une place particulière dans le diagramme H-R. C'est de toute évidence une population distincte de celle de la Voie Lactée. Autrement dit, elles proviendraient d'une autre galaxie. Selon Helmi, "La collection d'étoiles que nous avons trouvée avec Gaia a toutes les propriétés de ce que vous attendez des débris d'une fusion galactique." Une analyse plus approfondie confirma que les étoiles, qui font désormais partie du halo interne de la Voie Lactée et du disque épais galactique, doivent provenir d'une autre galaxie surnommée Gaia-Encélade. Amina Helmi précitée et ses collègues ont découvert les "Courants d'Helmi", un groupe de 30000 étoiles qui se déplace de manière synchronisée à travers la Galaxie. Leur analyse montre qu'il s'agit clairement d'une population distincte, différente des étoiles de la Voie Lactée. En analysant ces données surprenantes, Helmi et ses collègues ont tout de suite soupçonné que ces étoiles avaient un rapport avec l'histoire de la formation de la Voie Lactée. En effet, par le passé Helmi et son groupe de recherche avaient réalisé des simulations informatiques pour étudier l'évolution des étoiles lors d'une fusion entre deux grandes galaxies. C'est en comparant cette simulation aux données de Gaia que les chercheurs ont constaté que les résultats simulés correspondaient aux observations. Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2018, Helmi déclara que "la collection d'étoiles que nous avons trouvée avec Gaia possède toutes les propriétés qu'on peut attendre des débris d'une fusion galactique." En d'autres termes, ce groupe d'étoiles faisait autrefois partie d'une autre galaxie, la galaxie naine Gaia-Encélade, qui fut absorbée par la Voie Lactée. Ces étoiles forment à présent l'essentiel du halo interne de la Galaxie - une composante diffuse formée à une époque très ancienne et qui entoure à présent l'essentiel de la Voie Lactée.
Selon les simulations de l'équipe d'Helmi, en plus d'alimenter les étoiles du halo, la galaxie naine accrétée aurait également perturbé les étoiles préexistantes de la Voie Lactée et contribuèrent à la formation du disque épais (voir plus bas). Sachant que les étoiles qui se forment dans les différentes galaxies ont des compositions chimiques uniques qui correspondent aux conditions de la galaxie d'origine, si ce groupe d'étoiles représente bien les débris d'une galaxie qui fusionna avec la nôtre, les étoiles restantes devraient conserver une empreinte dans leur composition. Mais avant de conclure, les astronomes devaient compléter les données de Gaia avec celles sur la composition chimique des étoiles fournies par le sondage APOGEE du SDSS. C'est effectivement ce qui fut observé. Les astronomes ont appelé cette galaxie "Gaia-Encélade" par référence au nom de l'un des géants de la mythologie grecque qui donna naissance à Gaia (Gaïa en français), la Terre et à Uranus, le Ciel. Helmi nous rappelle que "selon la légende, Encélade aurait été enseveli sous l'Etna, en Sicile, et serait responsable des tremblements de terre locaux. De même, les étoiles de Gaia-Encélade ont été profondément enfouies dans les données de Gaia et elles ont ébranlé le disque épais de la Voie Lactée." Même si aucune preuve supplémentaire n'était vraiment nécessaire, les chercheurs ont également trouvé des centaines d'étoiles variables et 13 amas globulaires dans la Voie Lactée qui suivent des trajectoires similaires à celles des étoiles de Gaia-Encélade, indiquant qu'ils faisaient partie de ce système. Le fait que tant de groupes puissent être liés à Gaia-Encélade est une autre indication du fait que cette galaxie dut être autrefois une grande galaxie, avec sa propre population d'amas globulaires. A
voir : Merger in the early formation stages of our Galaxy,
ESA
Une analyse plus poussée révéla que cette galaxie avait à peu près la taille de l'un des Nuages de Magellan. Cependant, il y a dix milliards d'années, lorsqu'eut lieu la fusion avec Gaia-Encélade, la Voie Lactée était beaucoup plus petite, le rapport entre les deux étant de 4:1. C'était donc clairement une collision majeure pour la Voie Lactée. Grâce à Gaia, les astronomes ont également découverts l'empreinte d'autres collisions. Une collision au début de la formation de la Voie Lactée Grâce aux données de la 2e distribution de Gaia (DR2) relatives à la position, la luminosité et la distance d'environ un million d'étoiles situées à moins de 6500 années-lumière du Soleil, l'équipe de Carme Gallart de l'IAC en Espagne a pu mettre en évidence certaines des premières étapes de la formation de la Voie Lactée expliquant les caractéristiques du disque et du halo. Les chercheurs ont analysé et comparé les données aux modèles théoriques de la distribution des couleurs et des magnitudes (luminances) des étoiles de la Voie Lactée, en les scindant en deux composantes : le halo stellaire et le disque épais. Les résultats de leur étude furent publiés dans la revue "Nature Astronomy" en 2019. Des études précédentes avaient montré que le halo galactique présentait des signes évidents de deux composantes stellaires distincts, l’une dominée par des étoiles plus bleues. Le mouvement des étoiles dans la composante bleue a rapidement permis aux chercheurs de l'IAC de l'identifier comme les restes de la galaxie naine Gaia-Encélade évoquée ci-dessus entrée en collision très tôt avec la Voie Lactée. Cependant, la nature de la population rouge et l'époque de la fusion entre Gaia-Encélade et notre Galaxie étaient jusqu'à présent inconnues. Selon Chris Brook de l'IAC et coauteur de cet article, "l'analyse des données de Gaia nous a permis d'obtenir la distribution des âges des étoiles dans les deux composantes et a montré que celles-ci sont formées par des étoiles également anciennes, plus anciennes que celles du disque épais." Mais si les deux composantes se sont formées en même temps, qu'est-ce qui différencie l'une de l'autre ? A voir :
Early days of the Milky Way
Selon son collègue Tomás Ruiz Lara, "la dernière pièce du casse-tête fut donnée par la quantité de métaux dans les étoiles d'une composante ou de l'autre" (pour rappel, les étoiles bleues ont une quantité de métaux inférieure à celle des étoiles plus rouges). Ces résultats, auxquels s'ajoutent les prédictions de simulations également analysées dans l'article, ont permis aux chercheurs de compléter l'histoire de la formation de la Voie Lactée. Selon les chercheurs, il y a 13 milliards d'années, des étoiles ont commencé à former deux systèmes stellaires différents qui ont ensuite fusionné : une galaxie naine appelée Gaia-Encélade et l'autre, la forme primitive de la Voie Lactée, quatre fois plus massive et plus vaste et contenant plus de métaux. Il y a environ 10 milliards d'années, une violente collision s'est produite entre les deux galaxies. Comme le montre l'animation ci-dessus, certaines étoiles de la Voie Lactée et de Gaia-Encélade furent entraînées dans des mouvements chaotiques et ont finalement formé le halo actuel de la Voie Lactée. Ensuite, on observe une flambée de formation d'étoiles pendant ~4 milliards d'années (jusqu'il y a 6 milliards d'années), lorsque le gaz est retombé dans le disque de la Voie Lactée et forma ce qu'on appelle le "disque mince". Selon Matteo Monelli de l'IAC et coauteur de cet article, "jusqu'à présent, toutes les prédictions et les observations des galaxies spirales lointaines similaires à la Voie Lactée indiquent que cette phase violente de fusion entre des structures plus petites était très fréquente. Grâce aux données de Gaia, nous avons enfin pu identifier la spécificité du processus dans notre propre Galaxie, en révélant les premières étapes de notre histoire cosmique avec des détails sans précédent." Collision avec la galaxie naine Antlia 2 Selon une étude publiée en 2019 par la physicienne Sukanya Chakrabarti de l'Ecole de Physique et d'Astronomie de l'Institut de Technologie de Rochester (RIT) et ses collègues, des perturbations visibles sur le bord du disque de la Voie Lactée proviendraient d'une collision avec la galaxie naine Antlia 2 qui se serait produite il y a des centaines de millions d'années. La galaxie naine Antlia 2 fut découverte en 2018 grâce au satellite Gaia. C'est une galaxie de magnitude visuelle 12.1 mais très diffuse située à 432800 années-lumière du coeur de la Voie Lactée et qui ne s'en approche jamais à moins de 130000 années-lumière (à ne pas confondre avec la galaxie naine Antlia située à 4.3 millions d'années-lumière). Antlia 2 est paradoxalement une galaxie naine géante; elle mesure un tiers de la Voie Lactée mais est 10000 fois plus pâle que le Grand Nuage de Magellan (LMC). Selon les modèles astrophysiques, elle semble beaucoup trop grande pour sa luminosité (ou trop pâle pour sa taille) et contiendrait essentiellement de la matière sombre (ou noire). La localisation actuelle d'Antlia 2 correspond étroitement à celle d’une galaxie naine dominée par de la matière sombre telle que l'avait prédite Chakrabarti en 2009 au moyen d'une analyse dynamique. À l'aide des données de Gaia, Chakrabarti calcula sa trajectoire passée et découvrit qu'Antlia 2 se serait écrasée dans la Voie Lactée en produisant les grandes ondulations que nous voyons dans le disque de gaz extérieur de notre Galaxie. Les simulations suivantes illustrent cette collision. A
voir : Watch Galaxies Collide
Selon Chakrabarti, cette découverte ne restera pas sans suite car elle devrait permettre de développer des méthodes pour débusquer les galaxies sombres et aider à résoudre le problème toujours ouvert de la nature de la matière sombre. "Si Antlia 2 est la galaxie naine que vous avez prédite, vous connaissez son orbite. Vous savez qu'elle devait s'approcher du disque galactique. Cela impose donc des contraintes strictes non seulement sur la masse, mais aussi sur son profil de densité. Cela signifie que vous pourrez utiliser Antlia 2 en tant que laboratoire unique pour en savoir plus sur la nature de la matière sombre." Les chercheurs ont également exploré d’autres causes potentielles des ondulations du disque externe de la Voie Lactée, mais ont exclu les autres candidats. Ainsi, la force de marée engendrée par la galaxie naine SagDEG était insuffisante tandis que les deux Nuages de Magellan sont trop éloignés. Les preuves indiquent qu'Antlia 2 est la cause la plus probable de cette perturbation. Le crash de Sagittarius (SagDEG) Découverte en 1994 (cf. R.A. Ibata et al. 1994; K.V. Johnston et al., 1995), la galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire alias Sagittarius ou SagDEG (également connue sous l'acronyme Sgr dSph, Sgr dE ou simplement Sgr), à ne pas confondre avec SagDIG qui est une naine irrégulière, mesure 10000 années-lumière et se situe à environ 81000 années-lumière du Soleil et 50000 années-lumière du centre de la Galaxie, derrière les bulles de Fermi. SagDEG est 10000 fois moins massive que notre Galaxie. C'est une galaxie satellite de la Voie Lactée. SagDEG ne contient que quelques dizaines de millions d'étoiles, 4 amas globulaires dont M54 (NGC 6715) situé à ~70000 années-lumière dans le Sagittaire et plusieurs pulsars (voir plus bas). C'est l'une des galaxies naines proches les plus massives. Dans un article publié dans la revue "Nature Astronomy" en 2020, Tomás Ruiz-Lara, de l'Institut d'Astrophysique des Canaries (IAC) à Ténérife, en Espagne, et ses collègues ont découvert grâce aux données de la 2e distribution de Gaia (DR2) et des simulations que SagDEG a traversé le disque de la Voie Lactée à plusieurs reprises. Cela s'est produit au moins trois fois dans le passé : il y a 5.7 milliards d'années, 1.9 milliard d'années et 1 milliard d'années. À chaque collision, la Voie Lactée dépouilla les étoiles et même la matière sombre de SagDEG, laissant derrière elle une galaxie naine de plus en plus petite et anémiée. A terme, SagDEG fusionnera complètement avec la Voie Lactée. Mais bien que très peu massive par rapport à la Voie Lactée, ses multiples interactions ont laissé des traces importantes. Comme expliqué précédemment (voir page 1), en 2022 on découvrit que SagDEG avait perturbé l'extrémité du disque externe de la Voie Lactée dont les étoiles continuent à osciller de nos jours. Les chercheurs ont également constaté que dans le sillage laissé par SagDEG lors de ses passages successifs à travers le disque de la Voie Lactée, les formations stellaires ont augmenté. En fait, l'une de ces périodes coïncida à peu près avec la formation du Soleil et de son cortège planétaire il y a 4.7 milliards d'années. Des études antérieures ont montré que malgré sa masse importante, même la structure en spirale de la Voie Lactée pourrait être le résultat d'au moins trois collisions avec SagDEG au cours des 6 derniers milliards d'années. A
voir : Zooming in on the globular star cluster Messier 54,
ESO
Les chercheurs pensent que chaque passage provoqua des ondulations de matière dans le milieu interstellaire, comme une pierre jetée dans l'eau engendre des ondes. En conséquence, la concentration de gaz et de poussière dans certaines zones de la Voie Lactée augmenta au point de déclencher la formation d'étoiles. Selon Ruiz-Lara, "Après une première période violente de formations stellaires, déclenchées en partie par une fusion antérieure, la Voie Lactée avait atteint un état d'équilibre dans lequel les étoiles se formaient régulièrement. La Galaxie était relativement calme. Soudainement, le Sagittaire est tombé dedans et a perturbé l'équilibre, déplaçant tout le gaz et la poussière auparavant immobiles à l'intérieur de la plus grande galaxie comme des ondulations dans l'eau." Cette étude s'appuie sur une étude publiée en 2019 par des chercheurs de l'Université de Barcelone qui ont calculé la taille et la luminosité réelles de millions d'étoiles observées par Gaia. Les chercheurs avaient conclu que la formation d'étoiles dans la Voie Lactée avait diminué depuis sa formation jusqu'à il y a environ 5 milliards d'années, où elle a soudainement augmenté. Jusqu'à la moitié de la masse totale de toutes les étoiles créées dans le disque mince de la Voie Lactée - qui contient la majorité des étoiles de la Galaxie - fut produite au cours de cette période. Il semble établi que sans l'interaction de la relativement petite galaxie naine du Sagittaire, la Voie Lactée aurait été très différente aujourd'hui et aurait eu beaucoup moins d'étoiles. Selon Timo Prusti de la mission Gaia, "C'est vraiment la première fois que nous voyons une histoire détaillée de la formation stellaire de la Voie Lactée. C'est un témoignage de la puissance scientifique de Gaia que nous avons vu se manifester encore et encore dans d'innombrables études révolutionnaires en une période de seulement quelques années." Des pulsars dans SagDEG Dans une étude publiée dans la revue "Nature Astronomy" en 2022, Roland M. Crocker de l'Université Nationale Australienne et une équipe internationale de chercheurs ont découvert que les émissions de la petite galaxie naine du Sagittaire (Sagittarius ou SagDEG) proviennent probablement de pulsars millisecondes projetant des rayons cosmiques et confirment que le cocon de Fermi est en fait dû à l'émission de SagDEG. Les pulsars millisecondes sont des vestiges d'étoiles massives généralement organisées dans des systèmes binaires. En raison de leur énergie rotationnelle extrême, ils génèrent des éruptions de rayons cosmiques (composés à 88% de protons, 9% d'hélions, le reste étant distribué entre les électrons, les muons, les neutrinos et leurs antiparticules). Les électrons notamment émis par les pulsars millisecondes entrent en collision avec des photons à basse énergie du fond diffus cosmologique (le rayonnement à 2.7 K), les portant jusqu'aux énergies du rayonnement gamma (de quelques keV à ~450 TeV).
En raison de l'orbite serrée de SagDEG autour de la Voie Lactée et de ses passages précédents à travers le disque galactique, elle a perdu la majeure partie de son gaz interstellaire, et nombre de ses étoiles ont été arrachées de son noyau pour former des courants stellaires. Selon les chercheurs, étant donné que le SagDEG est au repos et ne contient ni gaz ni nurseries stellaires, il n'y a que deux origines possibles à ses émissions gamma : soit une population de pulsars millisecondes inconnus soit des annihilations de matière sombre. Les chercheurs ont découvert que les pulsars millisecondes sont des accélérateurs efficaces d'électrons et de positrons hautement énergétiques, et suggèrent également que des processus physiques similaires pourraient être à l'oeuvre dans d'autres galaxies naines satellites de la Voie Lactée. Selon Oscar Macias du GRAPPA (Gravitational and Astroparticle Physics Amsterdam) de l'Université d'Amsterdam et coauteur de cet article, "C'est une découverte significative car certains modèles prédisent que les rayons gamma d'une galaxie naine seraient une signature irréfutable de l'annihilation de la matière sombre. Notre étude oblige à réévaluer les capacités d'émission à haute énergie des objets stellaires au repos, tels que les galaxies sphéroïdales naines, et leur rôle en tant que cibles principales pour les recherches d'annihilation de la matière sombre." Une onde dans la Galaxie : l'escargot de Gaia Selon une étude publiée dans la revue "Nature" en 2018 (en PDF sur arXiv) et résumée sur le site de l'ESA, il semble qu'en frôlant la Voie Lactée il y a entre 300 et 900 millions d'années, la galaxie naine SagDEG généra une onde de densité dans le disque galactique qui perturba les trajectoires de millions d'étoiles. Grâce au satellite Gaia, après avoir comparé l'altitude de quelques millions d'étoiles par rapport au plan galactique et en estimant leurs vitesses dans les trois dimensions (l'espace des phases) afin de déterminer géométriquement leurs mouvements, Teresa Antoja de l'Université de Barcelone et ses collègues ont découvert que la distribution des étoiles dans l'espace de phase du disque galactique contient d'innombrables sous-structures de formes diverses, dont la plupart n'ont jamais été observées auparavant par manque de données. En résumé, quand on reporte les positions et vitesses des étoiles dans un diagramme de phase comme on le voit ci-dessous à droite, on constate que les étoiles s'alignent en formant une onde en spirale. Ce motif est parfois surnommé "l'escargot de Gaia".
A la différence des molécules d'eau qui inventent sans cesse des motifs ondulés, les étoiles conservent une sorte de "mémoire" de l'objet qui les a perturbées. Cette empreinte se trouve dans leurs mouvements. Après un certain temps qui se compte en centaines de millions d'années, bien que les ondulations s'amortissent et soient moins visibles, en caractérisant suffisamment d'étoiles on peut encore détecter cette perturbation dans la répartition des étoiles en analysant leurs vitesses. Les chercheurs ont réexaminé des travaux antérieurs portant sur ce "mélange de phases" dans le domaine astrophysique mais également en physique quantique. Bien que personne n'ait encore étudié ce phénomène dans le disque de la Voie Lactée, les structures découvertes rappellent clairement ces phénomènes spiralés qui correspondent exactement aux cas d'écoles décrits dans les manuels comme la simulation présentée ci-dessus à droite. Prochain chapitre
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