Une étoile donne un coup de vieux à notre galaxie

Cet article appartient à une petite sélection de l’activité scientifique publiée la semaine dernière, cette dernière fut consacrée à l’appel aux dons du Guru qui n’est malheureusement pas terminé (l’appel aux dons bien sûr… ).

Notre galaxie est peut-être beaucoup, beaucoup plus vieille qu’on ne le pensait, de 3 milliards d’années, pour être exact.

Les astronomes ont tiré cette conclusion après avoir découvert ce qui semble être l’une des étoiles les plus anciennes jamais découvertes dans l’Univers. Elle est petite, elle est très pauvre en métal, une indication qu’elle est née juste après le Big Bang, et elle se situe dans la Voie lactée.

Image d’entête : représentation d’une petite étoile naine rouge. (NASA/ Walt Feimer)

Notre Soleil est estimé à environ 4,6 milliards d’années, ce qui en fait un nouveau venu dans notre galaxie, dont l’âge actuel est estimé à 13,5 milliards d’années. La nouvelle découverte, cependant, rendrait la Voie lactée beaucoup plus ancienne. Dans n’importe quelle galaxie, les étoiles naissent et meurent tout le temps, bien que leur mort ait tendance à être beaucoup plus spectaculaire que leur naissance, du moins pour les étoiles qui sont assez massives pour devenir supernova. Mais ne vous inquiétez pas pour notre Soleil, il est beaucoup trop petit pour une disparition aussi spectaculaire. Il mourra tranquillement dans environ 10 milliards d’années, bien qu’il détruira la Terre avec lui dans ce processus.

Les scientifiques pensent que les étoiles de l’Univers à ses débuts étaient entièrement composées d’hydrogène, d’hélium et d’un tout petit peu de lithium, donc beaucoup de gaz et très peu de métal. Ces étoiles sont alors devenues massives, beaucoup plus grandes que le Soleil, et elles ont produit des éléments plus lourds dans leur noyau. Quand elles sont devenues supernova, elles ont ensemencé l’univers avec ces éléments. Cette étoile récemment découverte est cependant très différente.

Pour connaître l’âge d’une étoile, les astronomes s’appuient sur des modèles pour les aider à estimer comment elles évoluent et changent avec le temps. Lorsqu’ils en observent une pour la première fois, ils recherchent le meilleur modèle qui correspond aux données, en fonction de son âge et de sa composition.

Les galaxies, quant à elles, se présentent sous quatre formes distinctes : spirale, elliptique, lenticulaire et irrégulière. Notre galaxie d’origine est une spirale qui ressemble à une roue à aubes, qui se compose d’un noyau, ou bulbe galactique avec beaucoup d’étoiles, de gaz et de poussière, entourée d’un disque mince qui contient des “bras” en spirale vers l’extérieur, et un halo galactique. Il y a des milliards de galaxies spirales dans l’univers, et chacune a des milliards d’étoiles d’âges différents. Rien que dans notre galaxie, il y a environ 250 milliards d’étoiles.

Le bulbe est un endroit particulièrement bondé. Non seulement on y trouve beaucoup plus d’étoiles qu’en périphérie, mais en son centre se trouve aussi le trou noir supermassif de la Voie lactée, que l’on pense être le composant le plus ancien de toute galaxie. La plupart des astronomes pensent que les galaxies se forment lorsque le gaz s’écoule de toutes les directions et devient très dense au centre, ce qui déclenche alors la formation des premières étoiles.

Comme l’explique Jacco van Loon, astronome à l’université de Keele (Newcastle, Royaume-Uni) :

De grosses masses, peut-être de petites galaxies à part entière, n’arrêtaient pas de plonger dans la jeune Voie lactée, tournant comme l’eau qui s’écoule dans un évier. Ceci a naturellement aplati la Voie lactée, et l’a transformée en forme de disque.

On s’attendait à ce que les vieilles étoiles se déplacent sous un angle par rapport au disque galactique, tandis que seules les étoiles plus jeunes, comme le Soleil, étaient censées être coincées à l’intérieur du disque et tourbillonner autour de la Voie lactée. Cependant, l’étoile ancienne récemment repérée, subsiste à l’intérieur du disque, se déplaçant autour de notre galaxie comme s’il s’agissait d’une étoile plus jeune, même si elle ne l’est certainement pas. Cela suggère que le disque de la Voie lactée existe depuis beaucoup plus longtemps qu’on ne le pensait et que certains de ses composants doivent être très anciens.

La nouvelle découverte ne fait que 14 % de la taille du Soleil et elle est la nouvelle détentrice du record de l’étoile avec le plus petit ensemble d’éléments lourds. Elle a à peu près la même proportion d’éléments lourds que Mercure, la plus petite planète de notre système solaire. (Kevin Schlaufman)

La conclusion de Van Loon :

La formation des galaxies a dû être un processus très rapide.

En d’autres termes, lorsque le trou noir supermassif de la Voie lactée était jeune et accumulait le renflement tout autour d’elle, un mince disque d’étoiles devait déjà exister, et il a grandi encore plus depuis pour devenir le disque beaucoup plus massif que nous voyons aujourd’hui.

Selon Kevin Schlaufman, astronome à l’université Johns Hopkins (Maryland, États-Unis), auteur principal de l’étude :

La partie la plus ancienne du disque mince doit être au moins aussi vieille que son membre le plus âgé.

Pour trouver l’étoile, l’équipe a utilisé une technique appelée méthode des vitesses radiales, également connue sous le nom de spectroscopie Doppler, de la même façon que de nombreuses exoplanètes sont détectées en orbite autour d’autres étoiles.

Voici comment ça marche. Tout d’abord, les scientifiques analysent le spectre d’une étoile, c’est-à-dire la façon dont la lumière des étoiles se divise en ses longueurs d’onde intégrales. Une planète en orbite autour d’une étoile attire gravitationnellement l’étoile, de sorte que l’étoile s’approche ou s’éloigne de nous, et la longueur d’onde de sa lumière devient plus courte ou plus longue. Les astronomes analysent l’amplitude et la périodicité de ces déplacements pour estimer l’orbite et la masse de la planète. Cette technique a été utilisée avec succès au cours des deux dernières décennies pour détecter plus de 700 exoplanètes en orbite autour d’étoiles proches.

L’équipe de Schlaufman, qui a publié leurs résultats la semaine dernière (lien plus bas), a trouvé l’étoile en utilisant une méthode similaire, en observant une étoile plus grande et plus lumineuse. Les chercheurs se sont étonnés en voyant les données obtenues par un autre groupe de scientifiques qui observaient l’étoile et ils ont remarqué qu’il devait y avoir un objet très dense qui la faisait osciller, la faisant se rapprocher et s’éloigner de lui : peut-être un trou noir.

Ils ont observé l’étoile pendant un an, s’attendant à trouver le trou noir, analysant régulièrement les spectres et notant de petits changements dans la vitesse de l’oscillation. L’étoile se déplaçait de façon régulière, ce qui suggère qu’elle était effectivement en orbite. C’est alors que Schlaufman et ses collègues ont réalisé que les calculs du groupe précédent étaient basés sur une erreur : le mouvement n’était pas causé par un trou noir, mais par une étoile de très faible masse.

L’étoile qui influençait s’est avérée avoir une masse légèrement inférieure à celle de notre Soleil. Pour déterminer son âge, l’équipe a ensuite utilisé diverses simulations informatiques de la façon dont les étoiles changent de couleur et de luminosité au cours de leur vie. Celles plus éloignées sont plus sombres, il faut donc connaître la distance pour pouvoir dire à quel point l’étoile est vraiment brillante. Heureusement, nous avons la bonne technologie pour obtenir la distance : le satellite Gaia, lancé en 2013, peut mesurer très précisément l’angle sous lequel les astronomes voient les étoiles. Cet angle varie en fonction de l’orbite de la Terre autour du Soleil, et la variation donne la distance. Et le modèle qui correspondait le mieux à la luminosité et à la couleur était celui d’une très vieille étoile, à peine une fraction plus jeune que l’âge de l’Univers lui-même, elle s’est probablement formée 300 millions d’années seulement après le Big Bang.

La trajectoire orbitale de l’étoile découverte. (Kevin Schlaufman/JHU)

Selon Casey :

C’est le plus tôt auquel nous estimons que des étoiles pourraient se former.

Comme cette étoile est si petite et contient si peu d’éléments métalliques, la découverte pourrait aussi nous éclairer sur la taille et la composition des toutes premières étoiles de l’Univers. À l’heure actuelle, les scientifiques croient que les premières étoiles pauvres en métal étaient massives, et non petites, et qu’elles ont toutes disparu à ce jour. Les étoiles plus massives que le Soleil, qui sont nées à cette époque, ne sont plus vivantes et ont évolué pour devenir des vestiges.

Mais la découverte suggère qu’il pourrait aussi y avoir des étoiles totalement exemptes de métal, ce que les astronomes appellent des « étoiles de population III« , la toute première génération d’étoiles, qui ont survécu jusqu’à nos jours.

Toujours selon Casey :

C’est stupéfiant, car dans le passé, les astronomes croyaient que les étoiles sans métal devaient être 10 à 1000 fois plus massives que notre Soleil, ce qui signifie que ces étoiles sans métal seraient mortes il y a des milliards d’années.

Ce n’est que récemment que des simulations informatiques ont suggéré que les étoiles sans métal pourraient être de faible masse, et cette découverte semble être un signe de la nature : les étoiles sans métal peuvent être de faible masse, ce qui signifie qu’il pourrait y avoir de véritables étoiles de première génération, des reliques du Big Bang, encore présentes aujourd’hui.

Pour Loeb, l’existence d’étoiles comme celle-ci « ouvre la fenêtre sur l’étude des très vieilles étoiles qui brûlent encore leur combustible nucléaire ».

L’étude publiée dans The Astrophysical Journal : An Ultra Metal-poor Star Near the Hydrogen-burning Limit* et présentée sur le site de l’université Johns Hopkins : Johns Hopkins scientist finds elusive star with origins close to Big Bang.