Les amas globulaires sont des fossiles de la naissance des galaxies il y a plus de 10 milliards d’années. Près de 200 sont en orbite autour de la Voie lactée, gardant les traces de son histoire et de sa structure. Deux astronomes brésilien et argentin, Denilso Camargo et Dante Minniti, viennent d’en découvrir trois de plus, proches du bulbe galactique.

L’astronome brésilien Denilso Camargo, qui avait accordé à Futura une interview l’année dernière à l’occasion de sa découverte de nouveaux amas globulaires dans la Voie lactée (voir le précédent article ci-dessous) vient d’étendre son tableau de chasse. Faisant équipe avec son collègue argentin actuellement en poste au Chili, Dante Minniti, il a continué de fouiller dans les données collectées par plusieurs instruments, notamment le satellite Wise (Wide Survey Infrared Survey Explorer) de la Nasa mais aussi le satellite Gaia de l’Agence spatiale européenne. Les deux hommes ont finalement découvert trois amas globulaires de plus dans le bulbe de la Voie lactée. Ils l’expliquent dans un article publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, que l’on peut trouver en accès libre sur arXiv.

Visible dans la constellation du Scorpion et distant de seulement 7.195 années-lumière, l’amas globulaire Messier 4 est le plus proche de la Terre dans la Voie lactée. © European Southern Observatory (ESO)

Des amas globulaires presque aussi vieux que l’Univers

Comme tous les amas globulaires, les nouveaux découverts sont des fossiles anciens constitués de vieilles étoiles dont les contenus en éléments lourds sont particulièrement faibles puisque les fourneaux thermonucléaires des premières étoiles massives du cosmos observable n’avaient pas encore eu le temps de les synthétiser en grandes quantités. Quantités qui étaient ensuite expulsées dans le milieu interstellaire par leurs explosions en supernovae pour être incorporées plus tard de nouvelles étoiles.

Les âges estimés des amas débusqués par les deux astronomes, à savoir Camargo 1107, 1108 et 1109 sont respectivement de 13,5 ± 2,0 milliards d’années, de 13,5 ± 1,5 milliards d’années et de 12 ± 1,5 milliards d’années. Rappelons que l’âge de l’Univers observable, par exemple déduit des observations du rayonnement fossile par le satellite Planck, est estimé à environ 13,8 milliards d’années.

Les nouveaux amas découverts sont intéressants parce qu’ils se trouvent dans le bulbe galactique alors que la majorité (plus de 150) se trouvent dans le halo de la Voie lactée. Leurs compositions et l’étude de leurs orbites devraient aider à poser de nouvelles contraintes sur la formation et l’évolution précoce de notre Galaxie et donc, indirectement, de toutes les autres grandes galaxies spirales.

Ce qu’il faut retenir

  • Les amas globulaires sont des concentrations très denses d’étoiles de forme sphérique en orbite autour des noyaux des galaxies. Ils sont constitués de quelques centaines de milliers d’étoiles rassemblées dans une sphère dont le diamètre n’est que de quelques centaines d’années-lumière tout au plus.
  • Ils sont majoritairement formés d’étoiles âgées d’au moins 10 milliards d’années et ayant atteint un stade d’évolution similaire. Pauvres en métaux, c’est-à-dire, dans le jargon des astrophysiciens, en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, ces étoiles ont dû se former en même temps et sont contemporaines des plus vieilles étoiles de la Galaxie. 
  • Les amas globulaires de la Voie lactée conserveraient le souvenir de la formation de notre Galaxie, lisible dans leurs caractéristiques actuelles. L’astronome brésilien Denilso Camargo en a débusqué trois de plus autour du bulbe de notre Galaxie avec son collègue Dante Minniti.
Pour en savoir plus

5 nouveaux amas globulaires découverts dans la Voie lactée

Article de Laurent Sacco publié le 18/07/2018

Les amas globulaires sont des fossiles de la naissance des galaxies il y a plus de 10 milliards d’années. Près de 200 sont en orbite autour de la Voie lactée, gardant les traces de son histoire et de sa structure. Un astronome brésilien, Denilso Camargo, vient d’en découvrir 5 de plus, proches du bulbe galactique.

Les amas globulaires sont des concentrations sphéroïdales très denses de quelques centaines de milliers d’étoiles en moyenne qui se sont formées dans les premiers milliards d’années de l’histoire de l’univers observable. Leurs tailles sont comprises entre quelques dizaines et quelques centaines d’années-lumière. Ils ont joué un rôle décisif en astronomie lorsque l’astronome Harlow Shapley a entrepris, à partir de 1914, d’utiliser ceux en orbite autour de la Voie lactée pour déterminer la taille de la Galaxie et la position qu’occupait le Soleil. Il arriva finalement au résultat escompté en 1918.

Les amas sont toujours étudiés aujourd’hui car ils peuvent nous aider à mieux comprendre le passé de la Voie lactée ainsi que l’origine des trous noirs supermassifs. Certains contiendraient des trous noirs intermédiaires, moins massifs, dont la coalescence aurait contribué à la croissance de ces géants à l’occasion de fusions de galaxies. On sait d’ailleurs que les amas globulaires sont d’autant plus nombreux que la masse des galaxies qu’ils accompagnent est élevée, ce qui est cohérent avec l’idée que les galaxies et les trous noirs supermassifs qu’elles contiennent croissent de pair comme sous-produit de ces fusions. Il y a ainsi des dizaines de milliers d’amas globulaires autour de certaines galaxies elliptiques et l’on peut penser qu’il en reste à découvrir autour de la Voie lactée où l’on en connaît moins de 200.

Des amas globulaires proches du bulbe de la Voie lactée

C’est d’ailleurs ce que vient confirmer le travail de l’astronome brésilien Denilso Camargo, compatriote d’Arturo Avila, formé à l’université fédérale du Rio Grande do Sul (Universidade Federal do Rio Grande do Sul ou UFRGS), une université fédérale brésilienne située principalement à Porto Alegre et actuellement en poste au Collège militaire du ministère de la défense brésilien à Porto Alegre. Le chercheur a en effet publié un article dans  Astrophysical Journal Lettersoù il annonce la découverte dans le bulbe de la Voie lactée de pas moins de cinq nouveaux amas globulaires.

Nommés Camargo 1102, 1103, 1104, 1105 et 1106, ces objets sont très anciens, avec des âges compris entre 12,5 et 13,5 milliards d’années. Le plus distant du Soleil, Camargo 1102, se trouve à environ 26.700 années-lumière, à 2.800 années-lumière du centre de notre Galaxie et à environ 2.700 années-lumière au-dessus du plan galactique et de la barre de la Voie lactée (rappelons que celle-ci est une spirale barrée). Les autres amas sont situés à des distances comprises entre 14.700 et 18.900 années-lumière mais plus près du plan galactique.

C’est en combinant des données issues des observations du satellite Wise (Wide-field infrared survey explorer) de la Nasa avec celle tout récemment publiée du satellite Gaia de l’ESA que l’astronome a fait sa découverte. Il n’en était pas à son coup d’essai puisqu’il y a quelques années, avec ses collègues Eduardo Bica et Charles Bonatto, il avait fait la découverte de nouveaux amas d’étoiles, ouverts ceux-là, dans la Voie lactée, ce qui avait contribué à préciser la structure de ses bras spiraux.

Futura avait consacré un article à ces découvertes à l’époque. Aujourd’hui, nous avons demandé à Denilso Camargo de nous parler un peu du parcours qui l’avait amené à devenir astronome et aussi s’il pensait qu’on allait effectivement découvrir encore d’autres amas globulaires dans les années à venir. Voici ses réponses :

« Étudier l’astrophysique a toujours été un rêve pour moi, mais comme il n’y avait pas de cursus de premier cycle à ce sujet dans l’état du Rio Grande do Sul, la seule voie à suivre était d’étudier la physique. J’ai ensuite enchaîné masters, doctorats et postdocs en physique à l’UFRGS, en prenant l’astrophysique comme sous-domaine. Initialement, j’ai travaillé sur les amas ouverts d’étoiles connus en utilisant des observations  de 2MASS. En utilisant des images de 2MASS, j’ai commencé à découvrir mes premiers amas ouverts, ceux qui sont appelés des embedded clusters (EC) en anglais. Ensuite, j’ai commencé à utiliser les données Wise pour rechercher de nouveaux amas ouverts. WISE est devenu un outil extrêmement utile dans la recherche de ces objets, en particulier les EC, qui sont les géniteurs des amas ouverts. Au total, j’ai découvert 1.101 amas stellaires, dont beaucoup sont des EC.

Maintenant, je cherche des amas globulaires proche du bulbe galactique. Les cinq amas globulaires découverts sont mon premier résultat dans ce nouveau domaine. Je pense que les concentrations d’étoiles et de poussières en direction du bulbe de la Voie lactée pourraient bien cacher un douzaine d’amas globulaires encore à découvrir. »

Il faut savoir qu’il n’est pas si facile de faire de la recherche en astronomie et en astrophysique au Brésil. En 2010, le Brésil avait lancé une procédure pour intégrer les États membres de l’Observatoire européen austral (ESO – European Southern Observatory). À l’époque, le ministre d’État brésilien pour la science et les technologies, Sergio Machado Rezende précisait dans le communiqué de l’ESO à ce sujet « Rejoindre l’ESO donnera une nouvelle impulsion au développement de la science, de la technologie et de l’innovation au Brésil et constitue une part des efforts considérables que notre gouvernement met en œuvre afin de maintenir la progression du pays dans ces secteurs stratégiques. » Malheureusement, le processus est aujourd’hui en panne, ce qui a fait dire il y a quelques mois à Reinaldo de Carvalho, président de la Société astronomique brésilienne et dans une interview au journal Science, que la communauté astronomique de son pays allait être étranglée.

Les amas globulaires : une mémoire de la formation de la Voie lactée

Constitués de quelques centaines de milliers d’étoiles rassemblées dans une sphère dont le diamètre n’est que de quelque centaines d’années-lumière tout au plus, les amas globulaires de la Voie lactée conserveraient le souvenir de la formation de notre Galaxie, lisible dans leurs caractéristiques actuelles. C’est ce qu’affirme un groupe d’astrophysiciens de l’Université de Bonn.

Les amas globulaires sont des concentrations très denses d’étoiles de forme sphérique en orbite autour des noyaux des galaxies. Dans le cas de la Voie lactée, on en connaît plus de 150 mais il est probable qu’il en existe dix à vingt fois plus. On sait qu’ils sont majoritairement formés d’étoiles âgées d’au moins 10 milliards d’années et ayant atteint un stade d’évolution similaire. Pauvres en métaux, c’est-à-dire, dans le jargon des astrophysiciens, en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, ces étoiles ont dû se former en même temps et sont contemporaines des plus vielles étoiles de la Galaxie. L’un des plus célèbres amas globulaires est celui d’Hercule (M13) vers qui le fameux message d’Arecibo a été envoyé en 1974.

On connaît dans les grandes lignes les étapes de la formation des galaxies dans l’Univers mais il existe des variantes dans les détails et les observations montrent que bien des choses restent encore incomprises. Plusieurs scénarios plus précis sont à l’étude, notamment par des simulations numériques comme celles de MareNostrum.

Il semble clair cependant que les amas globulaires des galaxies se sont formés très tôt dans l’histoire de l’Univers observable à partir de surdensités dans les nuages de gaz d’hydrogène et d’hélium primitifs, tout comme les premières galaxies, il y a plus de 13 milliards d’années. On peut donc penser qu’ils sont en quelque sorte des fossiles de ces temps reculés. Contrairement aux galaxies qui ont subi de multiples collisions et fusions, avec en plus une évolution chimique importante, dominée par les explosions de supernovae, les amas doivent garder une mémoire bien plus lisible de la formation des galaxies.

Conférence donnée le 15 avril 2014 par Corinne Charbonnel de l’Observatoire Astronomique de Genève dans le cadre des Grands Séminaires de l’Observatoire Midi-Pyrénées. Les amas globulaires, véritables joyaux célestes constitués de centaines de milliers d’étoiles, comptent parmi les objets les plus vieux de l’Univers et se sont probablement formés en même temps que leurs galaxies hôtes. On les observe dans tout type de galaxies: la Voie Lactée, en héberge près de deux cents, la Galaxie d’Andromède environ 500, tandis que 15’000 amas globulaires ont été recensés dans la galaxie elliptique géante M87, dans l’amas Virgo. © Observatoire Midi-Pyrénées

La protogalaxie qui allait devenir la Voie lactée s’est formée très vite

Une tentative de décryptage de cette mémoire cosmique a été entreprise par des chercheurs de l’Institut Max-Planck de radioastronomie et de l’Institut Argelander à Bonn sous la direction de Pavel Kroupa, dont on se souvient qu’il s’était demandé récemment si les galaxies naines ne désobéissaient pas à la loi de la gravitation.

Les amas globulaires sont anciens, mais ils ne se sont pas tous formés exactement en même temps. Les plus jeunes sont nés au moment où les premières explosions de supernovae avaient fait augmenter le taux d’éléments lourds dans le nuage de gaz en train de former la protogalaxie qu’était la Voie lactée. Simultanément, au fur et à mesure que notre Galaxie se formait et se contractait par effondrement gravitationnel, les forces de marée sur les amas en formation devenaient plus importantes, influençant leur évolution et donc l’apparition de leurs caractéristiques actuelles.

En combinant des analyses théoriques aux observations des amas (tailles, âges, composition) et l’influence qu’a eu sur eux la formation de la Voie lactée, le groupe de chercheurs en a conclu que la protogalaxie s’était formée très vite, en quelques centaines de millions d’années tout au plus. C’est la première fois que l’on peut ainsi jeter un regard sur les premiers stades d’évolution de la Voie lactée. Les astrophysiciens se transforment donc en archéologues galactiques. Les détails de leurs travaux sont sur arXiv et seront publiés dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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