Découverte d’étoiles anciennes sur le disque mince stellaire de la Voie Lactée

Une découverte surprenante sur l’évolution de notre galaxie, réalisée à partir des données de la mission Gaia, a permis de découvrir un grand nombre d’étoiles anciennes sur des orbites similaires à celle de notre Soleil. Elles ont formé le disque mince de la Voie lactée moins d’un milliard d’années après le Big Bang, soit plusieurs milliards d’années plus tôt que ce que l’on pensait jusqu’alors.

La Voie lactée est composée d’un grand halo, d’un renflement et d’une barre centrale, d’un disque épais et d’un disque mince. La plupart des étoiles se situent dans ce que l’on appelle le disque mince de notre Voie lactée et suivent une rotation organisée autour du centre galactique. Les étoiles d’âge moyen, comme notre Soleil de 4,6 milliards d’années, appartiennent au disque mince, dont on pensait généralement qu’il avait commencé à se former il y a environ 8 à 10 milliards d’années.

Comprendre la formation de la Voie lactée est un objectif majeur de l’archéologie galactique. Pour y parvenir, il est nécessaire de disposer de cartes détaillées de la galaxie montrant l’âge, la composition chimique et le mouvement des étoiles. Ces cartes, appelées cartes chrono-chimio-cinématiques, aident à reconstituer l’histoire de notre galaxie. La création de ces cartes détaillées est un défi car elle nécessite de vastes ensembles de données d’étoiles dont l’âge est connu avec précision.

Une approche courante pour surmonter ce défi consiste à étudier les étoiles très pauvres en métaux, qui sont vieilles, afin d’ouvrir une fenêtre sur la Voie Lactée primitive. On sait que les étoiles très pauvres en métaux sont vieilles car elles ont été parmi les premières étoiles à se former lorsque l’univers était encore largement composé d’hydrogène et d’hélium, avant que de nombreux éléments plus lourds ne soient créés et distribués par des générations successives d’étoiles.

À l’aide d’un ensemble de données de la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA), une équipe internationale dirigée par des astronomes de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam (AIP) a étudié les étoiles du voisinage solaire, à environ 3 200 années-lumière du Soleil. Ils ont découvert un nombre surprenant d’étoiles très anciennes sur des orbites de disques minces ; la majorité d’entre elles ont plus de 10 milliards d’années, certaines même plus de 13 milliards d’années.

Ces étoiles anciennes présentent une large gamme de compositions métalliques : certaines sont très pauvres en métaux (comme prévu), tandis que d’autres ont une teneur en métaux deux fois supérieure à celle de notre soleil beaucoup plus jeune, ce qui indique qu’un enrichissement rapide en métaux a eu lieu dans la première phase de l’évolution de la Voie Lactée.

« Ces étoiles anciennes dans le disque suggèrent que la formation du disque mince de la Voie lactée a commencé beaucoup plus tôt qu’on ne le pensait auparavant, il y a environ 4 à 5 milliards d’années », explique Samir Nepal de l’AIP et premier auteur de l’étude, qui a été acceptée pour publication par Astronomie et astrophysique et est disponible sur le arXiv serveur de préimpression.

« Cette étude souligne également que notre galaxie a connu une formation d’étoiles intense aux premières époques, ce qui a conduit à un enrichissement très rapide en métaux dans les régions intérieures et à la formation du disque. Cette découverte aligne la chronologie de la formation du disque de la Voie lactée avec celles des galaxies à fort décalage vers le rouge observées par le télescope spatial James Webb (JWST) et le radiotélescope à grand réseau millimétrique d’Atacama (ALMA).

« Cela indique que des disques froids peuvent se former et se stabiliser très tôt dans l’histoire de l’univers, offrant de nouvelles perspectives sur l’évolution des galaxies. »

« Notre étude suggère que le disque mince de la Voie lactée pourrait s’être formé bien plus tôt que nous le pensions, et que sa formation est étroitement liée à l’enrichissement chimique précoce des régions les plus profondes de notre galaxie », explique Cristina Chiappini. « La combinaison de données provenant de différentes sources et l’application de techniques avancées d’apprentissage automatique nous ont permis d’augmenter le nombre d’étoiles avec des paramètres stellaires de haute qualité, une étape clé pour conduire notre équipe vers ces nouvelles connaissances. »

Ces résultats ont été rendus possibles par la troisième publication de données de la mission Gaia. L’équipe a analysé les paramètres stellaires de plus de 800 000 étoiles à l’aide d’une nouvelle méthode d’apprentissage automatique qui combine des informations provenant de différents types de données pour fournir des paramètres stellaires améliorés avec une grande précision. Ces mesures précises comprennent la gravité, la température, la teneur en métaux, les distances, la cinématique et l’âge des étoiles.

À l’avenir, une technique d’apprentissage automatique similaire sera utilisée pour analyser des millions de spectres collectés par l’enquête 4MIDABLE-LR avec le télescope spectroscopique multi-objets de 4 mètres (4MOST), dont les opérations débuteront en 2025.