La cartographie chimique révèle les bras spiraux de la Voie lactée

Keith Hawkins, professeur adjoint d’astronomie à l’Université du Texas à Austin, a utilisé la cartographie chimique – également connue sous le nom de cartographie chimique – pour identifier les régions des bras spiraux de la Voie lactée qui n’avaient pas été détectées auparavant. Ses recherches, publiées dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Societydémontre la valeur de cette technique pionnière dans la compréhension de la forme, de la structure et de l’évolution de notre galaxie.

Les cartes chimiques de la Galaxie montrent comment les éléments du tableau périodique sont répartis dans la Voie lactée. Ils permettent aux astronomes d’identifier l’emplacement des objets célestes en fonction de leur composition chimique plutôt que de la lumière qu’ils émettent. Bien que l’idée de la cartographie chimique existe depuis un certain temps, les astronomes n’ont pu obtenir que récemment des résultats significatifs grâce à cette technique. C’est grâce à des télescopes de plus en plus puissants mis en ligne.

« Tout comme les premiers explorateurs, qui ont créé des cartes de mieux en mieux de notre monde, nous créons maintenant des cartes de mieux en mieux de la Voie lactée », déclare Hawkins. « Ces cartes révèlent des choses que nous pensions être vraies, mais que nous devons encore vérifier. »

Nous savons depuis les années 1950 que la Voie lactée est une galaxie spirale. Cependant, sa forme précise, sa structure et même le nombre de ses bras ont fait l’objet d’une enquête en cours. C’est parce que nous vivons à l’intérieur de notre galaxie natale et que nous ne pouvons pas voyager assez loin pour la voir d’un point de vue extérieur. « C’est comme être dans une grande ville », explique Hawkins. « Vous pouvez regarder autour de vous les bâtiments et vous pouvez voir dans quelle rue vous vous trouvez, mais il est difficile de savoir à quoi ressemble toute la ville à moins d’être dans un avion volant au-dessus d’elle. »

Notre vision limitée de la Voie lactée n’a pas empêché les astronomes d’en créer des modèles bien informés ; ou des artistes d’en dessiner de belles illustrations. « Mais, » dit Hawkins, « je voulais savoir à quel point ces modèles et ces illustrations sont réellement précis. Et voir si la cartographie chimique pourrait révéler une vue plus claire des bras spiraux de la Voie lactée. »

Cartographier la Voie lactée

Une façon traditionnelle de cartographier la Voie lactée consiste à identifier les concentrations de jeunes étoiles. Au fur et à mesure que la Voie lactée tourne, la poussière et le gaz dans ses bras en spirale se compriment, provoquant la naissance de nouvelles étoiles. Ainsi, là où il y a une abondance de jeunes étoiles, on prédit qu’il y a aussi un bras.

Les astronomes peuvent localiser les jeunes étoiles en détectant la lumière qu’elles émettent. Mais parfois, des nuages ​​de poussière peuvent obscurcir les étoiles, ce qui rend difficile, même pour les meilleurs télescopes, d’observer leur lumière. En conséquence, certaines régions des bras de la Voie lactée restent encore à découvrir.

La cartographie chimique aide les astronomes à combler les pièces manquantes.

Pour ce faire, il s’appuie sur un concept astronomique appelé « métallicité ». La métallicité fait référence au rapport des métaux à l’hydrogène présent à la surface d’une étoile. En astronomie, tout élément du tableau périodique qui n’est pas de l’hydrogène ou de l’hélium est appelé un « métal ». Les jeunes étoiles possèdent plus de métaux que les étoiles plus âgées et ont donc une métallicité plus élevée. C’est parce qu’ils se sont formés plus tard dans l’histoire de notre univers, quand plus de métaux existaient.

Après le Big Bang, les seuls éléments qui existaient étaient l’hydrogène, l’hélium et de rares traces de quelques métaux. Dans leurs noyaux, la première génération d’étoiles a fusionné de l’hydrogène et de l’hélium en métaux de plus en plus complexes (c’est-à-dire des éléments de plus en plus lourds du tableau périodique), jusqu’à ce qu’ils finissent par mourir ou exploser. Mais du chaos naît la vie. Ces explosions ont éjecté des métaux dans leur environnement, où ils ont été utilisés comme blocs de construction pour la prochaine génération d’étoiles.

Au fur et à mesure que le cycle de naissance et de destruction stellaire se répète, chaque génération d’étoiles suivante s’enrichit de métaux plus complexes que la précédente, lui conférant une métallicité de plus en plus élevée. En théorie, les bras spiraux de la Voie lactée, qui contiennent une abondance de jeunes étoiles, devraient avoir une métallicité plus élevée que les régions qui les séparent.

Comparer des cartes

Pour créer sa carte, Hawkins a identifié la distribution de la métallicité dans la Voie lactée. Il s’est concentré sur la zone autour de notre soleil pour laquelle ces données existent – une vue allant jusqu’à 32 600 années-lumière. Les zones avec une abondance d’objets riches en métal devaient s’aligner avec des bras en spirale et celles avec une rareté d’objets riches en métal s’aligner avec les espaces entre les bras.

Lorsqu’il a comparé sa propre carte à d’autres de la même région de la Voie lactée, les bras en spirale se sont alignés les uns avec les autres. De plus, comme la carte de Hawkins identifie les bras spiraux en fonction de la métallicité plutôt que de la lumière émise par les jeunes étoiles, de nouvelles régions sont apparues qui n’avaient pas été cartographiées auparavant.

« Un gros point à retenir », dit Hawkins, « est que les bras spiraux sont en effet plus riches en métaux. Cela illustre la valeur de la cartographie chimique pour identifier la structure et la formation de la Voie lactée. Elle a le potentiel de transformer complètement notre vision de la Galaxie.  »

Le télescope spatial Gaia révolutionne l’étude de notre galaxie

À mesure que nos télescopes deviennent plus puissants, la promesse de la cartographie chimique augmente également.

Pour ses recherches, Hawkins a analysé les données du télescope spectroscopique à fibre multi-objets à large zone de ciel (LAMOST) et du télescope spatial Gaia. Les nouvelles données de Gaia (Data Release 3) étaient particulièrement pertinentes. C’est parce que Gaia offre l’étude la plus précise et la plus complète de la Voie lactée à ce jour, y compris de sa composition chimique.

Depuis son lancement en 2013, Gaia a surveillé environ deux milliards d’objets. Les astronomes sont désormais en mesure d’étendre leurs recherches de milliers d’objets à des milliards, et pour une zone beaucoup plus vaste de la Galaxie.

« Le volume considérable de données disponibles auprès de Gaia nous permet désormais de faire de la cartographie chimique à l’échelle galactique », déclare Hawkins. « Les données sur les positions de milliards d’étoiles et leur composition chimique n’étaient pas disponibles jusqu’à récemment. »

Jusqu’à présent, Gaia a fourni des données chimiques pour la plus grande zone de la Voie lactée à ce jour. Cependant, cela ne représente toujours qu’environ un pour cent de la galaxie. Alors que Gaia continue d’étudier les cieux et que de nouveaux télescopes sont mis en ligne, les astronomes peuvent de plus en plus utiliser la cartographie chimique pour comprendre les propriétés fondamentales de notre galaxie. Ces leçons peuvent, à leur tour, être appliquées à d’autres galaxies et à l’univers dans son ensemble. Comme l’explique Hawkins, « c’est une ère complètement nouvelle. »