Des astronomes déterrent les étoiles qui ont donné naissance à la Voie lactée

Depuis une vingtaine d'années, les astronomes ont lutté pour trouver un ancien groupe d'étoiles mêlées au gaz, à la poussière et aux nouvelles étoiles du renflement de notre galaxie. Ces étoiles « fossiles » ont précédé la Voie lactée et auraient dû être discernables par leur chimie et leurs orbites distinctives. Pourtant, jusqu'à récemment, seul un petit nombre d'entre eux avaient été découverts.

Aujourd'hui, un effort déterminé utilisant l'apprentissage automatique à forte intensité de données en a mis au jour un trésor, mettant en évidence leurs caractéristiques et leur destin. Les méthodes utilisées dans leur découverte ont permis aux scientifiques de mettre à jour leur compréhension de la formation de la Voie lactée et des galaxies à disque en général.

Théories concurrentes

Les astronomes pensent que la Voie lactée a été précédée par ce qu'on appelle une proto-galaxie - un endroit violent et chaotique contenant de jeunes étoiles aux orbites sauvages. Son histoire d'origine commence de manière assez crédible. Après le Big Bang, la matière noire a fusionné dans notre région de l'espace. La matière noire a attiré la matière ordinaire. Les premières vagues d'étoiles sont alors apparues, mais personne ne savait comment ces étoiles y étaient arrivées.

"Les gens n'avaient pas une très bonne idée de ce à quoi ressemblait la proto-galaxie", a déclaré Védant Chandra, astrophysicien à l'Université de Harvard et l'un des principaux auteurs d'un étude récente détaillant les anciennes découvertes d'étoiles.

Dans les années 2000, les scientifiques avaient opté pour deux théories de la formation. Soit la proto-galaxie a donné naissance aux premières étoiles de la Voie lactée en interne, lorsque le gaz s'est fusionné en étoiles, soit elle a cannibalisé d'autres galaxies, arrachant des étoiles et siphonnant la matière noire. Pour régler la question, les astronomes auraient besoin d'isoler la plus ancienne population d'étoiles de la Voie lactée. Études identifiées étoiles candidates, mais si la théorie de la pépinière interne était correcte, une population fossile beaucoup plus importante restait à découvrir.

L'occasion de les trouver s'est présentée en 2022 lorsque l'agence spatiale européenne Télescope spatial Gaia a publié son troisième ensemble complet de données, appelé DR3. Gaia a été lancé il y a 10 ans pour étudier la Voie lactée, et chaque publication successive de données a inclus des mesures de position plus précises que les versions précédentes.

Fait important, DR3 comprenait également des spectres stellaires - des mesures de la luminosité d'une étoile à différentes longueurs d'onde de lumière. Ces mesures de spectrométrie sont couramment utilisées pour examiner les éléments chimiques à l'intérieur d'une étoile.

Pour déterminer les dates de naissance des étoiles, l'équipe s'est appuyée sur une technique spectroscopique standard qui recherche les signatures des éléments lourds. (En astronomie, "lourd" signifie quelque chose de plus massif que l'hydrogène ou l'hélium.) À mesure que l'univers vieillit, les étoiles riches en hydrogène explosent en supernovas et meurent, crachant des éléments tels que le carbone et l'oxygène. Ce matériau fusionne ensuite en de nouvelles étoiles à éléments plus lourds, également appelées étoiles riches en métaux. Ainsi, les étoiles les plus récentes sont riches en métaux et les étoiles pauvres en métaux doivent provenir de la proto-galaxie.

Détecteurs de métaux

Lorsque l'équipe a vu les données de Gaia DR3, cependant, elle a été déçue de découvrir que les lectures du spectromètre étaient trop larges pour révéler des pics chimiques individuels. "Les informations spectrales d'environ 200 millions d'étoiles ont été publiées, mais ce sont des spectres à très basse résolution. Si vous regardez le spectre, ce n'est qu'un tas d'oscillations », a déclaré Chandra.

L'équipe s'est donc tournée vers l'apprentissage automatique pour extraire les signaux des éléments plus lourds des spectres bruyants à basse résolution. Ils ont utilisé un algorithme prêt à l'emploi appelé XGBoost et l'ont formé à l'aide de données spectrales de haute qualité provenant d'autres enquêtes. Avec cet entraînement, l'algorithme a pu révéler la métallicité des étoiles en se basant uniquement sur les tremblements de faible qualité de Gaia. Lorsque l'équipe a revérifié ses prédictions par rapport aux données recueillies par trois autres relevés du ciel indépendants de haute qualité dans trois sections uniques de la Voie lactée, ils ont trouvé un accord étroit.

En examinant les secrets internes de l'algorithme, Chandra a découvert qu'il décidait de l'abondance des éléments lourds d'une étoile en se basant presque exclusivement sur les raies d'absorption du calcium et du magnésium de l'étoile. Il a également corrigé les sources potentielles d'erreur, telles que les enchevêtrements denses de poussière et de gaz cosmiques qui se trouvent entre la Terre et le centre de la Voie lactée. "La forme de ces ondulations changera s'il y a beaucoup de poussière dans la ligne de mire de l'étoile", a-t-il déclaré. "Et c'est important parce que nous étudions le centre de la galaxie, qui est rempli de poussière."

L'équipe a réduit une population de 1.5 million d'étoiles à environ 18,000 1,000 premières étoiles à faible métallicité situées dans le renflement de la Voie lactée. "Il y a dix ans, j'étais ravi d'avoir un échantillon de près de XNUMX XNUMX étoiles renflées à faible métallicité", a déclaré Mélissa Ness, astronome à l'université de Columbia. «Nous sommes maintenant dans un régime où nous avons plusieurs milliers de ces étoiles pauvres en métal. C'est un ensemble de données incroyable avec lequel travailler.

Les chercheurs devaient encore répondre à au moins une autre question : vers où se dirigeaient les étoiles de la proto-galaxie ? La réponse est venue d'un autre type de mesure nouvellement disponible dans la version Gaia DR3 - la vitesse à laquelle les étoiles se déplacent le long de notre ligne de visée. Connaître cette vitesse a permis de découvrir l'orbite de chaque étoile.

Ce qui a émergé était un portrait d'une proto-galaxie en forme de halo, comme l'avaient anticipé certains théoriciens. La population d'étoiles âgées et pauvres en métal tournait dans une petite sphère étroite d'un rayon de 9,000 XNUMX années-lumière, que l'équipe a surnommée le "pauvre vieux cœur" de la Voie lactée.

Dans l'ensemble, les résultats suggèrent que la proto-galaxie n'a pas volé d'étoiles à d'autres galaxies. Si tel était le cas, leurs orbites stellaires se dirigeraient vers des régions situées au-delà de la Voie lactée.

Plus de révélations

Avec les mesures de vitesse et de spectrométrie déjà en main pour 1.5 million d'étoiles de la Voie lactée, Chandra a jeté son regard sur des théories connexes qui pourraient être vérifiées. Un récent s'est démarqué.

En 2022, deux papiers a fait allusion à une chronologie pour la formation du disque de la Voie lactée. La théorie veut qu'après l'apparition de la proto-galaxie, la région ait "mijoté", collectant du gaz et créant des étoiles pauvres en métaux. Après un milliard d'années, la galaxie émergente a "bouilli", donnant naissance frénétiquement à des étoiles riches en métaux pendant 2 à 3 milliards d'années. Ces nouvelles stars étaient différentes. Ils suivaient des orbites plus plates. Au fur et à mesure que la galaxie se refroidissait, un disque très fin s'est formé, rempli d'étoiles nouvellement créées (y compris notre soleil) se déplaçant sur des orbites circulaires ordonnées autour du centre galactique.

Les 1.5 million d'étoiles dans l'ensemble de données de Chandra ont confirmé cette chronologie. "Ce que nous voyons, c'est la voie lactée qui tourne pour la première fois", a-t-il expliqué. "Vous assistez essentiellement à la naissance du disque de la galaxie." Lui et ses collègues utilisent maintenant l'ensemble complet de données de 30 millions d'étoiles pour fournir un aperçu encore plus complet. "Le renflement est officiellement déroutant depuis des décennies", Will Clarkson, astronome à l'Université du Michigan, Dearborn. "Cela a été une bonne ouverture d'une nouvelle fenêtre sur cette population fossile."