Tard dans la soirée du 5 octobre 1923, Edwin Hubble était assis devant l'oculaire du télescope Hooker de l'observatoire du mont Wilson, au sommet des montagnes surplombant le bassin de Los Angeles. Il observait un objet dans le ciel du nord. À l’œil nu, c’était visible comme une légère tache. Mais grâce à un télescope, elle s'est accentuée en une brillante ellipse appelée nébuleuse d'Andromède. Pour régler le débat sur la taille de la Voie lactée – que l'on pensait alors être l'univers entier – Hubble devait déterminer la distance entre Andromède et nous.

Dans le champ de vision du télescope, Andromède était une géante. Hubble a patiemment pris plusieurs clichés couvrant de nombreuses plaques photographiques en verre et, aux premières heures du 6 octobre, il a réalisé une pose de 45 minutes sur une petite plaque de verre et a griffonné « N » à l'endroit où il a vu trois nouvelles étoiles, ou novas. Mais lorsqu'il a comparé son image avec des photographies prises par d'autres astronomes, il s'est rendu compte que l'une de ses nouvelles novas était en réalité une étoile variable céphéide, un type d'étoile qui peut être utilisée pour mesurer des distances astronomiques.

Il a gratté un « N » et a écrit « VAR ! »

Hubble a utilisé cette étoile pulsante pour calculer qu'Andromède se trouvait à 1 million d'années-lumière de la Terre, une distance bien supérieure au diamètre de la Voie lactée (il était légèrement éloigné ; Andromède est à environ 2.5 millions d'années-lumière). Et il réalisa qu’Andromède n’était pas une simple nébuleuse mais un « univers insulaire » entier – une galaxie distincte de la nôtre.

Avec la division du cosmos en une galaxie natale et un univers plus vaste, l’étude de notre maison finie – et de la manière dont elle existe au sein de cet univers – pourrait sérieusement commencer. Aujourd'hui, un siècle plus tard, les astronomes font encore des découvertes inattendues sur la seule île cosmique que nous habiterons jamais. Ils pourraient peut-être expliquer certaines des caractéristiques de la Voie lactée en réimaginant la façon dont elle s'est formée et s'est développée dans l'univers primitif, en scrutant sa forme inégale et en étudiant sa capacité à former des planètes. Les derniers résultats, accumulés au cours des quatre dernières années, dressent désormais le portrait de notre maison comme un lieu unique, à une époque unique.

Nous avons eu la chance, semble-t-il, de vivre à proximité d’une étoile particulièrement calme, aux marges calmes d’une galaxie d’âge moyen, étrangement inclinée et vaguement en spirale, qui a été largement laissée seule pendant la majeure partie de son existence.

Notre univers insulaire

Depuis la surface de la Terre, si vous êtes dans un endroit très sombre, vous ne pouvez voir que la bande lumineuse du disque galactique de la Voie lactée, par la tranche. Mais la galaxie dans laquelle nous vivons est bien plus compliquée.

Un trou noir supermassif bouillonne en son centre, entouré du « renflement », un nœud d'étoiles contenant certains des plus anciens habitants stellaires de la galaxie. Vient ensuite le « disque mince » – la structure que nous pouvons voir – où la plupart des étoiles de la Voie lactée, y compris le Soleil, sont divisées en bras spiralés gargantuesques. Le disque mince est enfermé dans un « disque épais » plus large qui contient des étoiles plus anciennes et plus dispersées. Enfin, un halo essentiellement sphérique entoure ces structures ; il est principalement constitué de matière noire, mais contient également des étoiles et des gaz chauds diffus.

Pour dresser des cartes de ces structures, les astronomes se tournent vers des étoiles individuelles. La composition de chaque étoile enregistre son lieu de naissance, son âge et ses ingrédients natals. L'étude de la lumière des étoiles permet donc une forme de cartographie galactique, ainsi que de généalogie. En situant les étoiles dans le temps et dans l’espace, les astronomes peuvent retracer l’histoire et déduire comment la Voie lactée s’est construite, pièce par pièce, sur des milliards d’années.

Le premier effort majeur pour étudier la formation primordiale de la Voie Lactée a commencé dans les années 1960, lorsque Olin Eggen, Donald Lynden-Bell et Alan Sandage, ancien étudiant diplômé d'Edwin Hubble, ont soutenu que la galaxie s'était effondrée à cause d'un nuage de gaz en rotation. Pendant longtemps, les astronomes ont pensé que la première structure à émerger dans notre galaxie était le halo, suivi d'un disque d'étoiles brillant et dense. À mesure que des télescopes plus puissants ont été mis en service, les astronomes ont construit des cartes de plus en plus précises et ont commencé à affiner leurs idées sur la façon dont la galaxie s'est formée.

Tout a changé en 2016, lorsque les premières données du satellite Gaia de l'Agence spatiale européenne sont revenues sur Terre. Gaia mesure avec précision les trajectoires de millions d'étoiles à travers la galaxie, permettant aux astronomes de savoir où se trouvent ces étoiles, comment elles se déplacent dans l'espace et à quelle vitesse elles vont. Avec Gaia, les astronomes ont pu dresser un tableau plus précis de la Voie lactée, révélant de nombreuses surprises.

Le renflement n’est pas sphérique mais en forme de cacahuète et fait partie d’une barre plus grande s’étendant au milieu de notre galaxie. La galaxie elle-même est déformée comme le bord d’un chapeau de cowboy battu. Le disque épais est également évasé, devenant plus épais vers ses bords, et il peut s'être formé avant le halo. Les astronomes ne savent même pas exactement combien de bras spiraux la galaxie possède réellement.

La carte de notre univers insulaire n’est plus aussi nette qu’elle le paraissait autrefois. Ni aussi calme.

« Si vous regardez une image traditionnelle de la Voie Lactée, vous avez ce joli halo sphérique et un joli disque d'apparence régulière, et tout est en quelque sorte stable et stationnaire. Mais ce que nous savons maintenant, c'est que cette galaxie est dans un état de déséquilibre", a déclaré Charlie Conroy, astronome au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Cette image simple et bien ordonnée a été vraiment rejetée au cours des deux dernières années."

Une nouvelle carte de la Voie lactée

Trois ans après qu'Edwin Hubble ait réalisé qu'Andromède était une galaxie à part entière, lui et d'autres astronomes étaient occupés à imager et à classer des centaines d'univers insulaires. Ces galaxies semblaient exister sous quelques formes et tailles dominantes, c'est pourquoi Hubble a développé un système de classification de base connu sous le nom de diagramme en diapason : il divise les galaxies en deux catégories, les elliptiques et les spirales.

Les astronomes utilisent encore ce schéma pour catégoriser les galaxies, y compris la nôtre. Pour l’instant, la Voie lactée est une spirale, dont les bras sont les principales pépinières d’étoiles (et donc de planètes). Pendant un demi-siècle, les astronomes ont pensé qu'il y avait quatre bras principaux : les bras du Sagittaire, d'Orion, de Persée et du Cygne (nous vivons dans une branche plus petite, appelée sans imagination le bras local). Mais de nouvelles mesures d’étoiles supergéantes et d’autres objets dressent un tableau différent, et les astronomes ne s’accordent plus sur le nombre de bras ou leur taille, ni même sur la question de savoir si notre galaxie est une île étrange parmi les îles.

"Étonnamment, presque aucune galaxie externe ne présente quatre spirales s'étendant de leur centre vers leurs régions extérieures." Xu Ye, un astronome de l'Observatoire chinois de Purple Mountain, a déclaré dans un e-mail.

Pour tracer les bras spiraux de la Voie lactée, Ye et ses collègues ont utilisé Gaia et des radiotélescopes au sol pour rechercher de jeunes étoiles. Ils ont découvert que, comme les autres galaxies spirales, la Voie lactée ne possède que deux bras principaux, Persée et Norma. Plusieurs bras longs et irréguliers s'enroulent également autour de son noyau, notamment les bras du Centaure, du Sagittaire, de la Carène, extérieur et local. Il semble que, du moins dans sa forme, la Voie Lactée ressemble davantage à des îles cosmiques lointaines que ne le pensaient les astronomes.

"L'étude de la Voie Lactée en forme de spirale pourrait révéler si elle est unique parmi les milliards de galaxies de l'univers observable", a écrit Ye.

Rivages cosmiques

L'étude d'Andromède et de son étoile variable par Hubble découle de sa rivalité féroce avec un autre astronome célèbre du mont Wilson, Harlow Shapley. L'astronome de Harvard, Henrietta Swan Leavitt, était la pionnière de l'utilisation des étoiles variables céphéides pour mesurer les distances. Grâce à sa méthode, Shapley avait calculé que la Voie lactée mesurait 300,000 1919 années-lumière - une affirmation étonnante en 3,000, alors que la plupart des astronomes pensaient que le Soleil était au centre de la galaxie, et que la galaxie entière s'étendait sur XNUMX XNUMX années-lumière. Shapley a ainsi insisté sur le fait que les autres « nébuleuses spirales » devaient être des nuages ​​de gaz et non des galaxies séparées, car leur taille signifierait qu'elles étaient inconcevablement éloignées.

Hubble, à son tour, rédigea ses mesures d'étoiles variables et convainquit tout le monde qu'Andromède était effectivement une galaxie distincte. "Voici la lettre qui a détruit mon univers", aurait déclaré Shapley après avoir vu les données de Hubble.

Cependant, en termes de distances astronomiques, Shapley n’était peut-être pas si loin. Au cours du siècle qui a suivi, les astronomes ont calculé que le renflement de la Voie lactée s'étend sur environ 12,000 120,000 années-lumière, que le disque s'étend sur XNUMX XNUMX années-lumière et que le halo de matière noire et d'anciens amas d'étoiles s'étend sur des centaines de milliers d'années-lumière. toutes les directions.

Une observation récente ont découvert que certaines étoiles du halo sont dispersées jusqu'à 1 million d'années-lumière – à mi-chemin d'Andromède – ce qui suggère que le halo, et donc la galaxie, n'est pas tout à fait un univers insulaire en soi.

Des astronomes dirigés par Jesse Han, étudiant diplômé du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, a récemment déterminé que le halo stellaire n'est pas sphérique, comme on l'a longtemps supposé, mais a la forme d'un ballon de football. Au travail publié le 14 septembre, Han et son équipe ont également montré que le halo de matière noire pouvait être incliné d'environ 25 degrés, ce qui donnerait un aspect déformé à la galaxie entière.

Et même si cela peut paraître assez étrange, l'inclinaison elle-même pourrait être une preuve du passé violent de la Voie lactée.

Une perturbation dans la galaxie

Des siècles avant que Hubble ne s'assoie devant l'oculaire, bien avant la naissance du soleil, bien avant l'existence de la Voie lactée, le Big Bang a déchiré toute la matière et l'a dispersée sans discernement dans le cosmos nouveau-né. Les premières galaxies se sont finalement formées à partir de morceaux de détritus aléatoires, démarrant une séquence de 13 milliards d’années qui nous a conduit. Les astronomes débattent des subtilités du déroulement de ces événements, mais ils savent que la galaxie que nous habitons aujourd’hui s’est développée grâce à un processus complexe comprenant des fusions et des acquisitions.

Partout dans l’univers, les galaxies entrent en collision et se combinent dans des calamités d’une ampleur inimaginable. Le télescope nommé en l'honneur d'Edwin Hubble capture ces carambolages cosmiques tout le temps. Et même si elle est relativement calme aujourd'hui, la Voie Lactée ne fait pas exception : en passant au crible les archives archéologiques conservées par les étoiles, les courants de gaz, les soi-disant amas globulaires de milliers, voire de millions d'étoiles, et même les ombres de galaxies naines dévorées, les scientifiques en apprennent davantage sur l’évolution de la Voie lactée.

Les premiers signes de violence sont apparus lorsque les astronomes, regardant à travers le célèbre télescope de 200 pouces de l'observatoire Palomar (que Hubble a été le premier à utiliser), ont découvert en 1992 des preuves que la Voie Lactée déchirait certains des amas globulaires de son halo. Le Sloan Digital Sky Survey a confirmé cette observation, et les radiotélescopes ont découvert plus tard que la galaxie inhalait également flux de gaz à proximité.

À la mi-2018, les astronomes pensaient que la Voie lactée avait fusionné avec quelques petites galaxies au cours de sa vie, mais que la plupart d’entre elles étaient des événements mineurs. La plus grande fusion récente, il y a 10 milliards d'années, aurait impliqué la galaxie elliptique naine du Sagittaire, qui a fait don de flux de gaz et de groupes d'étoiles au halo stellaire de la Voie lactée. Mais les astronomes n’ont pas pleinement compris ces objets jusqu’à ce que le satellite Gaia publie son deuxième ensemble de données en 2018.

Alors que les astronomes étudiaient les mouvements et les positions détaillés d’environ un milliard d’étoiles, des signes d’une perturbation majeure dans la galaxie sont apparus : ils ont vu une épave galactique dans le halo. Là-bas, certaines étoiles orbitent sous des angles extrêmes et ont des compositions différentes de celles d’autres, ce qui suggère qu’elles sont originaires d’ailleurs.

Les astronomes ont considéré ces étoiles étranges comme la preuve d’une collision titanesque entre la Voie Lactée et une autre galaxie. La fusion, qui s'est probablement produite il y a entre 8 et 11 milliards d'années, aurait perturbé de manière catastrophique la jeune Voie Lactée, réduit en lambeaux l'autre galaxie et déclenché une tempête de formation de nouvelles étoiles.

Les restes de la galaxie en collision s'appellent désormais Gaia-Sausage-Encelade, résultat de la découverte indépendante par deux équipes des restes de la fusion. Une équipe lui a donné le nom de la divinité grecque Gaia, mère primordiale de la Terre et de toute vie, et de son fils Encelade. L'autre remarqua que les restes ressemblaient à une saucisse. (Certains astronomes conflit que la galaxie entrante était la seule impliquée, ce qui suggère plutôt que de nombreuses collisions plus petites sur une période plus longue auraient pu aboutir aux structures que nous voyons maintenant.)

La fusion a tout changé : le tracé du halo, du renflement interne et du disque aplati de la Voie lactée.

Aujourd’hui, les astronomes utilisent divers outils pour comprendre le moment de l’empilement Gaia-Saucisse-Encelade et comment la Voie lactée a grandi en conséquence.

En Mars 2022, Maosheng Xiang ainsi que Hans-Walter Rix de l'Institut Max Planck d'Astronomie a commencé par définir la Voie Lactée 1.0, la proto-galaxie qui existait avant toute fusion. Ils l'ont fait en utilisant d'anciens étoiles sous-géantes qui sont plus petites que le soleil, qui ont épuisé leur combustible hydrogène et sont maintenant gonflées. La luminosité d'une étoile sous-géante correspond à son âge et sa lumière sert d'empreinte digitale de sa matière natale. Lorsque Xiang et Rix ont utilisé ces indices pour déduire les histoires de migration d'un quart de million d'étoiles sous-géantes, ils ont découvert que le disque épais s'était formé plus tôt que prévu dans les théories de la formation des galaxies - il y a 13 milliards d'années, à peine un clin d'œil après le Big Bang. .

Les théories cosmologiques populaires suggèrent qu’il aurait fallu plus de temps pour que des structures aussi grandes et bien définies se forment après le Big Bang. Et pourtant ils continue de surgir dans les observations de galaxies lointaines du télescope spatial James Webb, a déclaré Romarin Wyse, astrophysicien à l'Université Johns Hopkins.

« Vous pouvez relier la façon dont nous pensons que notre galaxie s’est formée avec ce que voit JWST. Pouvons-nous avoir une image cohérente de la formation d’une galaxie ? Notre galaxie est-elle typique ? dit-elle.

Le disque épais aurait pu exister avant la fusion principale, mais le disque mince a coïncidé avec l'arrivée de Gaia-Sausage-Encelade, ont découvert Xiang et Rix. Ce processus d’assemblage à deux volets, qui produit des disques stellaires distincts, peut être courant et pourrait être crucial pour déclencher la formation d’étoiles. Les taux de natalité ont diminué depuis cette frénésie, mais la Voie lactée produit encore environ 10 à 20 nouvelles étoiles par an.

Yuxi (Lucy) Lu, qui vient de déménager de l'Université de Columbia au Musée américain d'histoire naturelle, voulait comprendre l'histoire du disque galactique et son évolution au fil du temps. Pour ce faire, elle a étudié comment les changements chimiques au cours de la vie des étoiles pourraient aider à identifier leur lieu de naissance. Elle s'est concentrée sur des étoiles sous-géantes gonflées similaires et, dans de nouveaux travaux non publiés, elle a découvert que les sous-géantes riches en métaux - celles qui contiennent une abondance d'éléments plus lourds que l'hélium - ont commencé à se développer sérieusement à l'époque de la fusion Gaia-Sausage-Encelade, il y a entre 11 et 8 milliards d’années.

Les preuves de Gaia-Sausage-Encelade continuent de s'accumuler. Mais ce que les astronomes ne comprennent toujours pas, c’est pourquoi les choses sont restées calmes depuis. L'histoire chimique et l'histoire structurelle de la Voie lactée semblent atypiques, a déclaré Lu.

Andromède, par exemple, a une histoire bien plus violente que celle de la Voie lactée. Il serait étrange que notre galaxie reste seule aussi longtemps, compte tenu de l'histoire des autres galaxies et du modèle cosmologique dominant selon lequel les galaxies grandissent en s'entrechoquant, a déclaré Wyse. « L’histoire de la fusion est inhabituelle, tout comme l’histoire de l’assemblage. Que nous soyons réellement inhabituels dans l’univers… Je dirais que c’est toujours une question ouverte », a-t-elle déclaré.

Naissance d'une nouvelle île

Alors même que les astronomes reconstituent le passé de la galaxie, d'autres étudient comment les quartiers de la galaxie peuvent être aussi différents les uns des autres que les villes et les banlieues – une possibilité qui soulève la question de la répartition des planètes (et peut-être de la vie) dans la galaxie.

Ici, autour d’une étoile particulière du bras local, huit planètes se sont formées autour du soleil – quatre rocheuses et quatre gazeuses. Mais d’autres armes peuvent être différentes. Ces environnements pourraient produire différentes populations d’étoiles et de planètes, de la même manière que la flore et la faune spécialisées évoluent sur des continents dotés de biosphères distinctes.

« Peut-être que la vie ne peut surgir que dans une galaxie vraiment calme. Peut-être que la vie ne peut surgir qu'autour d'une étoile vraiment calme", ​​a déclaré Jessie Christiansen, astronome au California Institute of Technology qui étudie les conditions galactiques et leurs effets sur la construction des planètes. « C'est tellement difficile avec cet échantillon statistique d'un seul ; tout [à propos de notre galaxie] peut être important, ou rien ne peut être important.

Un siècle après qu'Edwin Hubble ait griffonné « VAR ! sur une plaque de verre, la panoplie de galaxies qui se dessinent dans le champ de vision de JWST change ce que nous savons du cosmos et de la place que nous y occupons. Tout comme nous pouvons utiliser la Voie lactée comme observatoire astrophysique pour comprendre l’univers au sens large, nous pouvons également utiliser l’univers au sens large et ses milliards de galaxies pour comprendre notre maison et comment nous sommes nés.

Les astronomes continuent de s'inspirer du livre de Hubble et d'examiner Andromède, la faible ellipse dans le ciel du nord. Comme Gaia l'a fait plus près de chez nous, l'instrument spectroscopique d'énergie sombre de l'observatoire national de Kitt Peak mesurera les étoiles individuelles d'Andromède et examinera leurs mouvements, leur âge et leur abondance chimique. Wyse prévoit également d'étudier des étoiles individuelles dans la galaxie voisine, à l'aide du télescope Subaru sur le Mauna Kea.

Cela fournira une nouvelle vision du passé d’Andromède et une nouvelle comparaison avec notre propre galaxie. Il offrira également un léger aperçu d’un avenir très lointain. Notre galaxie finira par détruire deux petites galaxies proches, les Grands et Petits Nuages ​​de Magellan, qui hurlent à travers l’espace dans notre direction. Notre galaxie commence déjà à les digérer.

"Si nous observions tout cela dans un milliard d'années, cela semblerait beaucoup plus compliqué", a déclaré Conroy. « Nous sommes justement à une époque où les choses sont relativement calmes. »

Ensuite, Andromède viendra également nous rejoindre. La galaxie qui s'étend sur les plaques de verre d'Edwin Hubble ne sera plus un univers insulaire. Andromède et la Voie Lactée se rapprocheront l'une de l'autre, leurs halos stellaires tourbillonnant ensemble. Sur des échelles de temps qui défient l'entendement, les disques se combineront également, chauffant du gaz froid, le faisant se condenser et enflammer de nouvelles étoiles. Aux abords de toute structure qui sera ensuite construite, de nouveaux soleils émergeront, et avec eux de nouvelles planètes. Mais pour l’instant, tout est calme, ici sur le bras local de la seule galaxie que nous connaîtrons jamais.