Surprise, la Voie Lactée est bien plus vieille qu’on ne le pensait

[Mise à jour 31/03] Correction d’une coquille qui plaçait l’apparition de notre galaxie “avant” le Big Bang.

Grâce aux relevés de la mission Gaia, des astronomes affiliés à l’Agence Spatiale Européenne (ESA) ont prouvé que notre galaxie, la Voie lactée, est en fait bien plus ancienne que prévu. De nouveaux éléments suggèrent désormais qu’elle serait née environ deux milliards d’années plus tôt qu’attendu, soit moins d’un milliard d’années après le Big Bang.

Ce sont deux chercheurs du prestigieux institut Max Planck, en Allemagne, qui sont arrivés à cette conclusion. Pour y parvenir, ils ont dû faire preuve d’une grande ingéniosité. En effet, l’âge des étoiles fait partie des paramètres les plus difficiles à déterminer; à l’heure actuelle, nous sommes encore bien incapables de le faire grâce à une simple observation directe.

À la place, il faut commencer par mesurer tout un tas de paramètres physiques et chimiques que l’on peut ensuite comparer à des modèles informatiques représentant l’évolution des étoiles; si on repère dans le modèle une étoile qui correspond à ce qu’on a observé en réalité, alors on peut en déduire son âge.

Une histoire de métal

L’un des principaux paramètres sur lesquels se basent pour déterminer ainsi l’âge d’une étoile, c’est sa métallicité. En effet, dans l’univers primitif, on ne trouvait que de l’hydrogène et de l’hélium, les deux briques de construction les plus basiques de notre cosmos. Les autres éléments ne sont arrivés que bien plus tard, au terme d’un processus baptisé nucléosynthèse.

Ce nom barbare désigne un processus très complexe, mais relativement simple à comprendre. Pour résumer très vulgairement, une étoile n’est ni plus ni moins qu’un gros réacteur nucléaire. Ce sont elles qui ont forgé tous les éléments complexes de notre univers; au fil des milliards d’années, ces réactions se sont mises à produire des éléments de plus en plus lourds et complexes. Les astronomes les rassemblent tous sous l’appellation “métal”, d’où le terme de “métallicité” de l’étoile.

À la fin de leur vie, qui se termine généralement par une gigantesque explosion, ce matériel se retrouve disséminé dans l’espace; il sera alors incorporé à la prochaine génération d’étoiles, qui pourra alors produire des éléments encore plus lourds à partir de ce nouveau substrat — donnant ainsi naissance à une étoile encore plus métallique.

On sait donc qu’il existe un lien direct entre la métallicité de l’ étoile et son âge; plus la proportion d’hélium et d’hydrogène est élevée, plus l’étoile est jeune. À l’inverse, plus on y trouve d’éléments lourds, plus elle a été formée il y a longtemps.

Un immense catalogue de l’âge des étoiles

C’est en se basant sur ce principe que les chercheurs ont pu avancer. Ils ont commencé par récupérer les données de luminosité et de position collectées par Gaia. Il s’agit d’ une ambitieuse mission de l’ESA; son objectif est de produire un véritable atlas en trois dimensions de notre galaxie. C’est une ressource exceptionnelle qui a servi de référence pour définir la position des nombreuses étoiles prises en compte lors de l’étude.

Ils s’en sont servis pour se concentrer sur un sous-type d’étoile très particulier : les sous-géantes. Cet état correspond à une phase de transition assez courte dans la vie de l’étoile, ce qui aide à déterminer précisément son âge. Au total, les chercheurs en ont sélectionné environ 250.000. Ils ont ensuite combiné ces données avec celles issues du télescope chinois LAMOST. Ce dernier les a renseignés sur la composition chimique de nombreux astres; ils ont donc pu déterminer leur métallicité, et par conséquent leur âge.

En croisant toutes ces données, ils ont pu dresser un vaste catalogue de l’âge de nombreuses étoiles aux quatre coins de la Voie lactée; et surtout, ils l’ont fait avec une précision encore jamais vue. En effet, jusqu’à aujourd’hui les chercheurs devaient jongler avec une marge d’erreur de 20 à 40%. Mais avec cette association entre instruments de pointe, tout a changé; ils sont capables de déterminer l’âge d’une étoile à quelques % près.

Deux milliards d’années de retard

Les chercheurs ont commencé par explorer une sous-structure baptisée disque fin. Dans cette zone centrale du disque, qui contient la majorité des étoiles observables, les premiers éléments étaient cohérents avec le consensus actuel; comme prévu, les étoiles en question sont nées il y a environ 13 milliards d’années.

Mais lorsqu’ils se sont éloignés du “disque fin” pour s’intéresser à une zone plus périphérique, le disque épais, les chercheurs sont rapidement tombés sur un os; certains éléments étaient en apparence complètement incohérents. Les étoiles du disque épais seraient nées 2 milliards d’années plus tôt — soit 0,8 milliard d’années à peine après le Big Bang.

C’est un élément très important, car les astronomes estimaient depuis un certain temps déjà que le halo – la “sphère” qui entoure le disque — était la zone la plus ancienne de la Voie lactée. Mais ces éléments montrent de façon indiscutable que cette chronologie est faussée; le disque épais est encore plus vieux que la date de naissance présumée du halo.

Il existe donc deux possibilités : soit le halo a commencé à se former plus tôt que prévu, soit c’est bien le disque épais qui est apparu en premier. Mais dans tous les cas, la conclusion générale reste la même : notre berceau cosmique est effectivement bien plus âgé qu’on ne le pensait. Et ce n’est qu’un début, car le projet Gaia a encore de beaux jours devant lui; en juin prochain, il délivrera une nouvelle version de son catalogue stellaire. Et les chercheurs s’attendent déjà à y trouver de nouveaux trésors scientifiques potentiels.

“Avec chaque nouvelle analyse, Gaia nous permet d’assembler les morceaux de l’histoire de notre galaxie avec encore plus de détails”, explique Timo Prusti, un chercheur du projet Gaia. “Avec la publication des nouveaux résultats en juin, les astronomes pourront à nouveau enrichir cette histoire avec de nouveaux éléments”, s’enthousiasme-t-il.

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