Une Galaxie agitée

dès ~0,8 Ga ; fusion il y a 10 à 11 Ga

Des fossiles qui brillent

Le télescope Webb voit des galaxies jeunes parce que leur lumière a voyagé presque toute l'histoire du cosmos avant de nous atteindre. MoM-z14 nous apparaît telle qu'elle était 280 millions d'années après le Big Bang Naidu 2025 (→ chap. 10). Ce recul dans le temps a une contrepartie. On ne voit jamais une même galaxie à deux âges : chacune est vue à un seul moment de sa vie, celui où sa lumière est partie. La nôtre pose un problème de plus. Nous sommes dedans, et la lumière de ses étoiles nous parvient telle qu'elles sont aujourd'hui, à l'échelle de l'histoire cosmique¹. Personne n'a vu la Voie lactée jeune, et personne ne la verra. Son passé doit donc se lire dans son présent.

La méthode tient à une propriété des étoiles, établie au chapitre sur la forge (→ chap. 12). Les éléments plus lourds que l'hélium sont fabriqués dans les étoiles, puis rejetés quand elles meurent. La génération suivante naît de nuages de gaz qui les contiennent Kobayashi 2020. Une étoile garde dans son atmosphère la composition du gaz dont elle est née, pendant toute sa vie ou presque². Chaque étoile d'aujourd'hui est donc un fossile de la chimie de son gaz natal, et l'étude qui se sert de ces fossiles porte un nom : l'« archéologie galactique » Kobayashi 2020. Le mot convient. Comme l'archéologue, l'astronome ne remonte pas le temps. Il fouille des objets présents qui ont gardé la marque du moment où ils ont été faits.

Un fossile ordinaire est rare et fragile. Les fossiles stellaires, eux, brillent, et ils se comptent par centaines de milliers dans les relevés dont parle ce chapitre. L'une des études qu'on va suivre en date 250 000 à elle seule Xiang 2022. Les plus anciens ont l'âge de la Galaxie. Une étoile de faible masse vit plus longtemps que l'Univers n'a d'années : celles qui sont nées dans les premiers temps de la Voie lactée brillent encore³.

La première chose qu'on lit dans un fossile stellaire est sa teneur en métaux. Les astronomes appellent « métaux » tous les éléments plus lourds que l'hélium, et mesurent leur abondance par une notation, [Fe/H]. C'est le logarithme de la teneur en fer d'une étoile, rapportée à celle du Soleil : [Fe/H] = 0 désigne une étoile aussi riche en fer que le Soleil, [Fe/H] = −2 une étoile cent fois plus pauvre (→ chap. 5). Comme chaque génération d'étoiles ajoute des métaux au gaz, la métallicité tend à monter avec le temps. Une étoile pauvre en métaux est en général née tôt, d'un gaz que peu d'étoiles avaient enrichi. C'est une tendance, pas une loi : une étoile peut aussi être pauvre parce qu'elle est née dans une petite galaxie, peu active, même tardivement (→ chap. 13). Ce détail compte dans ce chapitre, où il sera justement question d'une petite galaxie absorbée par la nôtre.

La seconde lecture chimique est plus fine. Le chapitre sur la forge a montré que les éléments ne sont pas tous rendus au gaz au même rythme. Les éléments dits alpha, comme l'oxygène, le magnésium, le silicium, le soufre et le calcium, viennent surtout des étoiles massives, qui meurent en supernovas au bout de quelques millions d'années. Environ la moitié du fer vient des supernovas de type Ia, l'explosion de naines blanches dans des systèmes doubles, qui ne peuvent se produire qu'après la longue vie d'une étoile moyenne Kobayashi 2020 (→ chap. 12). Le gaz d'une galaxie jeune reçoit donc d'abord des éléments alpha, avec peu de fer ; le fer des Ia arrive ensuite. Le rapport entre éléments alpha et fer baisse ainsi avec le temps, et cette baisse s'explique par « l'enrichissement retardé en fer par les supernovas Ia » Kobayashi 2020. Une étoile riche en éléments alpha par rapport à son fer est née avant que les Ia aient beaucoup contribué ; une étoile au rapport plus bas est née après.

Cette horloge est relative. Elle range les populations d'étoiles dans l'ordre, elle ne donne pas de dates en années (→ chap. 12). Pour obtenir une date, il faut mesurer l'âge des étoiles elles-mêmes, ce qui ne se fait bien que pour certaines d'entre elles. C'est le cas des sous-géantes, des étoiles qui viennent d'épuiser l'hydrogène de leur cœur. Xiang et Rix s'en servent pour dater le début du disque ancien de la Voie lactée Xiang 2022⁴.

Il manque encore une dimension, qui n'est pas chimique : le mouvement. Une étoile née dans un disque de gaz qui tourne hérite de la rotation de ce disque. Elle décrit une orbite presque circulaire, dans le plan, avec ses voisines. Une étoile née dans un gaz agité, ou arrachée à une autre galaxie, suit une orbite désordonnée, inclinée, allongée. Dans une galaxie, les étoiles ne se heurtent presque jamais, et leurs orbites ne changent que lentement. Le mouvement d'une étoile garde donc, lui aussi, une trace de ses origines, même après des milliards d'années⁵. Ce mouvement, c'est le satellite Gaia qui le mesure, avec la position des étoiles et leur déplacement sur le ciel. Des relevés spectroscopiques, comme APOGEE, en décomposent la lumière pour mesurer leur composition chimique Belokurov 2022⁶.

Chimie, âge, mouvement : avec ces trois coordonnées, on range les étoiles par familles et les familles dans le temps. Une population pauvre en métaux, riche en éléments alpha, âgée et animée de mouvements désordonnés a toutes les chances d'être plus ancienne qu'une population riche en métaux, pauvre en éléments alpha, jeune et qui tourne en bon ordre. On reconstitue ainsi un ordre de formation sans avoir observé le passé de la Galaxie. Trois résultats, publiés en 2018 et en 2022 à partir des données de Gaia et de relevés spectroscopiques, ont donné cet ordre pour les premiers milliards d'années de la Voie lactée Belokurov 2022 Xiang 2022 Helmi 2018.

Avant le disque : Aurora

Aujourd'hui, la Voie lactée est pour l'essentiel un disque d'étoiles qui tourne, entouré d'un halo, un vaste nuage d'étoiles anciennes aux orbites désordonnées (→ chap. 5). La question de départ est simple à poser : la Galaxie a-t-elle toujours été un disque ?

En 2022, Vasily Belokurov et Andrey Kravtsov cherchent la réponse dans les étoiles les plus pauvres en métaux, en croisant les compositions chimiques d'APOGEE et les mouvements mesurés par Gaia. Ils y isolent une population ancienne et pauvre en métaux, qu'ils nomment « Aurora », l'aurore en latin. Leur article s'intitule d'ailleurs « De l'aube au disque » Belokurov 2022.

Cette population est « cinématiquement chaude ». L'expression vient d'une analogie avec les gaz. Dans un gaz chaud, les molécules s'agitent dans toutes les directions à la fois ; dans un gaz froid, elles bougent peu les unes par rapport aux autres. Une population d'étoiles est dite « chaude » quand les vitesses de ses membres sont dispersées au hasard, dans toutes les directions, et « froide » quand ses étoiles se déplacent ensemble, sur des orbites semblables, comme celles d'un disque qui tourne⁷. Aurora a aussi une « rotation d'ensemble modeste » Belokurov 2022. Ses étoiles tournent un peu autour du centre de la Galaxie, en moyenne, mais cette rotation compte peu à côté de leur agitation. Elles ne forment pas de disque.

Le résultat qui fait l'intérêt de l'étude vient ensuite. Si l'on range les étoiles par métallicité croissante, leur vitesse de rotation reste faible tant que la métallicité reste basse. Puis, au-delà d'un seuil de métallicité, cette vitesse augmente brusquement Belokurov 2022. Les auteurs nomment ce saut le « spin-up », la mise en rotation. En dessous du seuil, les étoiles sont nées dans une structure agitée ; au-dessus, elles naissent dans une structure qui tourne. La valeur de ce seuil n'est pas dans l'extrait de l'article dont dispose ce livre⁸.

La métallicité sert ici d'horloge approximative, selon le principe posé plus haut : le gaz s'enrichit avec le temps, et une étoile plus riche est, en général, née plus tard. Le saut de rotation observé en fonction de la métallicité se lit alors comme un saut dans le temps. Belokurov et Kravtsov en tirent un récit en deux temps. D'abord une période d'évolution chaotique, avant tout disque, pendant laquelle la proto-Galaxie forme des étoiles dans un gaz désordonné. Puis une formation rapide du disque, en un à deux milliards d'années Belokurov 2022. La Galaxie n'a donc pas toujours été un disque. Elle l'est devenue, et assez vite.

Le mécanisme de la mise en rotation n'est pas décrit dans les sources de ce livre. On peut en dire le principe général : un gaz qui tombe dans le puits de matière noire d'une galaxie en formation apporte avec lui un peu de rotation, et un gaz qui se refroidit en tournant tend à s'aplatir en disque⁹. Pourquoi ce passage a eu lieu à ce moment-là, et à cette métallicité-là, reste hors de la base.

Trois réserves encadrent ce résultat. La première tient à sa nouveauté : l'étude date de 2022, et la fiche qui sert de base à ce chapitre la range parmi les résultats récents¹⁰. La deuxième tient à la manière dont on la connaît. Ce livre s'appuie sur le résumé de l'article, paraphrasé, et non sur l'article lui-même ; la source est marquée « à vérifier » dans la base¹¹. La troisième tient à l'horloge employée. La métallicité ne date pas une étoile en années. Pour placer le spin-up sur la frise, il faut savoir quel âge correspond au seuil de métallicité, et cette correspondance n'est pas dans l'extrait lu. Les « un à deux milliards d'années » décrivent la durée de la formation du disque, pas sa date.

Une autre étude, publiée la même année et par une autre méthode, donne cette date.

Un disque dès 13 milliards d'années

Maosheng Xiang et Hans-Walter Rix partent d'un échantillon de 250 000 étoiles sous-géantes dont ils mesurent l'âge et la métallicité Xiang 2022. Les sous-géantes ont une propriété qui en fait de bonnes horloges. Elles traversent une phase brève de leur évolution, pendant laquelle leur luminosité et leur température dépendent fortement de leur âge. Connaître leur position dans cette phase permet d'en tirer un âge en années, avec une précision que les autres étoiles n'offrent pas⁴. Deux cent cinquante mille âges, c'est assez pour tracer, pour la Galaxie entière, la métallicité en fonction du temps.

Le premier résultat est une date. La formation du disque ancien, dit aussi disque « épais », a commencé il y a 13 milliards d'années, soit 0,8 milliard d'années après le Big Bang Xiang 2022. Le disque épais est la composante la plus ancienne du disque de la Voie lactée : ses étoiles s'écartent davantage du plan que celles du disque mince, plus jeune, où se trouve aujourd'hui le Soleil¹². L'âge de l'Univers est estimé à environ 13,8 milliards d'années wiki-age. Le début du disque tombe donc dans les six premiers pour cent de l'histoire cosmique. Sur l'année cosmique, où cette histoire est ramenée à douze mois, il tombe vers le 22 janvier¹³.

Cette date place le début de notre Galaxie dans un autre chapitre de l'histoire cosmique : celui de la réionisation, quand la lumière des premières étoiles et des premières galaxies rend au gaz intergalactique sa charge électrique et le rend transparent aux ultraviolets. La frise de ce livre étend ce processus d'environ 0,3 à environ 1,1 milliard d'années après le Big Bang esa2015reion Bosman 2022 (→ chap. 11). À 0,8 milliard d'années, la réionisation n'est pas achevée. Des fluctuations qui lui sont liées persistent dans le gaz intergalactique jusque vers 1,1 milliard d'années Bosman 2022. Le disque de la Voie lactée commence donc à se former dans un Univers qui n'a pas fini de se rallumer. Les sources de ce livre ne disent pas si la région où naissait notre Galaxie était, à ce moment, déjà ionisée¹⁴.

La date a une autre conséquence. Les galaxies que Webb observe aux plus grandes distances, comme MoM-z14 à 280 millions d'années ou JADES-GS-z14-0 vers 300 millions d'années, sont les objets les plus anciens qu'on ait vus Naidu 2025 (→ chap. 10). Moins de six cents millions d'années séparent MoM-z14 du début de notre disque. Et ce début n'est pas celui de la Voie lactée tout entière : avant le disque, il y avait la proto-Galaxie chaotique d'Aurora, dont les étoiles sont par définition plus anciennes encore Belokurov 2022. Notre Galaxie est donc presque aussi vieille que l'Univers visible par Webb Xiang 2022¹⁵. Les galaxies précoces que Webb découvre, et qui surprennent par leur nombre et leur éclat Naidu 2025, appartiennent à la même génération que la nôtre. Webb les voit telles qu'elles étaient ; nous voyons la nôtre telle qu'elle est devenue.

Le deuxième résultat de Xiang et Rix porte sur la forme de la distribution. Si l'on place chaque étoile sur un graphique, l'âge en abscisse et la métallicité en ordonnée, les points ne forment pas un nuage continu. Ils se séparent en deux parties presque disjointes, et la frontière passe à 8 milliards d'années Xiang 2022. D'un côté, les étoiles plus vieilles que 8 milliards d'années ; de l'autre, les plus jeunes, qui ne prolongent pas simplement les premières. Il y a une rupture dans l'histoire de la Galaxie, et on la lit dans la chimie de ses étoiles. L'extrait lu ne dit pas ce qui distingue chimiquement les deux parties, ni quelle cause les auteurs donnent à la coupure¹⁶.

Le troisième résultat porte sur le rythme de l'enrichissement dans la partie ancienne. Pendant les 5 à 6 milliards d'années qui suivent le début du disque, l'enrichissement chimique a été multiplié par dix Xiang 2022. Une précision accompagne ce chiffre : cet enrichissement s'est fait dans un gaz resté bien mélangé Xiang 2022. La précision a un sens concret. Si le gaz du disque ancien avait été fait de poches séparées, certaines enrichies par une supernova voisine, d'autres épargnées, des étoiles nées au même moment auraient eu des métallicités très différentes. Qu'il soit resté bien mélangé veut dire que les étoiles d'un même âge ont à peu près la même métallicité : la relation entre âge et métallicité est une ligne étroite plutôt qu'un nuage épais¹⁷. Chaque génération d'étoiles rejetait ses produits dans un réservoir commun, qui s'enrichissait d'un bloc.

Les chiffres se tiennent entre eux. Treize milliards d'années moins cinq à six milliards d'années d'enrichissement donnent sept à huit milliards d'années : la phase d'enrichissement du disque ancien se termine à peu près là où passe la coupure de la distribution. Ce rapprochement est fait par ce chapitre, pas par l'extrait de l'article¹⁸. Il suggère que la partie ancienne de la distribution correspond à l'histoire du disque ancien, et que la partie récente commence après.

Les deux études de 2022 ne se contredisent pas. Belokurov et Kravtsov décrivent un avant-disque chaotique puis un disque formé en un à deux milliards d'années Belokurov 2022. Xiang et Rix datent le début du disque ancien à 13 milliards d'années Xiang 2022. L'une donne l'ordre et la durée, l'autre la date. Les sources de ce livre ne disent pas si les deux équipes ont confronté leurs résultats, ni si le spin-up d'Aurora coïncide avec les 13 milliards d'années de Xiang et Rix. Si c'est le cas, la proto-Galaxie chaotique occuperait les tout premiers temps, avant 0,8 milliard d'années, et le disque se serait mis en place entre 0,8 et environ 2 à 3 milliards d'années après le Big Bang.

C'est dans cet intervalle que survient la collision.

Gaia-Enceladus

En 2018, Amina Helmi et ses coauteurs publient dans Nature un article dont le titre annonce une fusion : celle qui aurait conduit à la formation du halo stellaire interne et du disque épais de la Voie lactée Helmi 2018. Leur résultat principal tient en une phrase. Le halo interne de la Galaxie, c'est-à-dire la partie du halo proche de nous et du centre, est dominé par les débris d'un objet qui était, à son arrivée, un peu plus massif que le Petit Nuage de Magellan Helmi 2018. Ils baptisent cet objet Gaia-Enceladus, du nom du satellite dont les données ont permis de le reconnaître et de celui d'un géant de la mythologie grecque¹⁹. Xiang et Rix emploient une variante plus longue, Gaia-Sausage-Enceladus Xiang 2022.

Le Petit Nuage de Magellan, l'étalon de la comparaison, est une galaxie voisine de la nôtre, dont la métallicité vaut le quart de celle du Soleil Howk 2012 (→ chap. 5). Sa masse n'est pas chiffrée dans les sources de ce livre²⁰. La comparaison dit l'ordre de grandeur : Gaia-Enceladus n'était pas un petit amas d'étoiles, mais une galaxie à part entière, une galaxie naine de la taille de celles qui accompagnent aujourd'hui la Voie lactée. Les mots « à son arrivée » comptent aussi. Une galaxie qui tombe dans une autre perd de la matière en chemin : la gravité de la plus grosse arrache les étoiles et le gaz de la plus petite, par ses bords, bien avant que la fusion soit achevée²¹. La masse donnée est celle d'avant ce dépouillement.

Ce que l'on voit aujourd'hui de Gaia-Enceladus, ce sont ses étoiles, dispersées dans le halo. Elles ne forment plus une galaxie. Elles partagent pourtant des orbites semblables, héritées du mouvement de la galaxie qui les portait, et cette parenté les distingue des étoiles nées dans la Voie lactée²². La définition la plus simple d'une galaxie absorbée est là : un ensemble d'étoiles qui ne sont plus liées entre elles, mais qui se déplacent encore comme si elles l'étaient.

Deux familles d'objets sont associées à ces débris. D'abord des centaines d'étoiles RR Lyrae Helmi 2018. Ce sont des étoiles vieilles, dont l'éclat varie régulièrement en moins d'une journée ; leur éclat moyen est connu, ce qui permet d'en déduire leur distance, et leur présence signale une population ancienne²³. Ensuite, treize amas globulaires Helmi 2018. Les amas globulaires sont des amas d'étoiles très denses et très anciens, qui gravitent autour de la Voie lactée et des galaxies voisines (→ chap. 10). Treize d'entre eux, dans notre Galaxie, seraient donc des immigrés, apportés par Gaia-Enceladus. Le nombre total d'amas globulaires de la Voie lactée n'est pas dans les sources de ce livre, ce qui empêche de dire quelle part ces treize représentent²⁴.

La collision a eu des conséquences pour la Galaxie qui a absorbé Gaia-Enceladus. Helmi et ses coauteurs estiment le rapport de masse entre les deux à 4 pour 1 Helmi 2018. La Voie lactée n'était donc que quatre fois plus massive que la galaxie qu'elle a absorbée. Ce n'est pas une petite galaxie avalée sans effet. Avec un tel rapport, la fusion a dû « chauffer » le précurseur du disque épais et contribuer ainsi à former cette composante Helmi 2018. Le mot « chauffer » a le sens cinématique défini plus haut : augmenter l'agitation des étoiles. Les étoiles d'un disque jeune, qui tournaient sur des orbites presque circulaires et presque dans le plan, reçoivent de la collision des vitesses désordonnées. Leurs orbites s'inclinent et s'allongent, et le disque s'épaissit²⁵. Le disque épais serait, au moins en partie, un disque qui existait déjà et que la collision a secoué.

L'ordre des événements se précise ainsi. Le disque ancien commence à se former il y a 13 milliards d'années Xiang 2022. La collision avec Gaia-Enceladus survient plus tard, et elle agit sur un disque déjà en place : Helmi et ses coauteurs parlent du « précurseur » du disque épais Helmi 2018. Le halo interne, lui, achève de s'assembler deux milliards d'années après le début de la formation du disque ancien, soit il y a environ 11 milliards d'années Xiang 2022 (→ chap. 11)²⁶. L'intuition voudrait que le halo, fait d'étoiles plus désordonnées et souvent plus pauvres en métaux, soit plus ancien que le disque. Sur le point de son assemblage final, c'est l'inverse : le disque commence à se former avant que le halo interne soit complet. Le halo interne n'est pas seulement le vestige d'une proto-Galaxie. Il est aussi le dépôt d'une collision survenue quand le disque existait déjà.

Reste à dater cette collision, et les deux études ne donnent pas la même date. Helmi et ses coauteurs situent la contribution de la fusion à la formation du disque épais il y a environ 10 milliards d'années Helmi 2018. Xiang et Rix, de leur côté, trouvent que la majorité des étoiles anciennes se sont formées il y a environ 11 milliards d'années, pendant la fusion avec Gaia-Sausage-Enceladus Xiang 2022. Leur date de l'assemblage final du halo interne, deux milliards d'années après le début du disque, conduit elle aussi vers 11 milliards d'années Xiang 2022. L'écart est d'environ un milliard d'années, et il reste ouvert²⁷. Ce chapitre écrit donc que la Voie lactée a absorbé Gaia-Enceladus il y a 10 à 11 milliards d'années, soit entre 2,8 et 3,8 milliards d'années après le Big Bang. Sur l'année cosmique, la fusion tombe entre la mi-mars et le début d'avril¹³.

Ce qui sépare les deux dates peut s'énoncer. Les deux équipes ne mesurent pas la même chose avec les mêmes outils. Xiang et Rix disposent d'âges individuels pour 250 000 sous-géantes Xiang 2022, et leur date est celle d'un pic de formation d'étoiles qu'ils attribuent à la fusion. La phrase d'Helmi et de ses coauteurs lue pour ce livre date le moment où la fusion a contribué à former le disque épais, sans dire de quelle mesure d'âge elle vient Helmi 2018. Une fusion entre galaxies n'est pas instantanée : la petite galaxie tourne autour de la grande, perd ses étoiles par ses bords, puis se dissout, et chacune de ces étapes peut durer longtemps. Il est donc possible que les deux dates désignent deux moments différents d'un même processus, le pic de formation d'étoiles déclenché par l'arrivée de Gaia-Enceladus d'un côté, l'effet de la fusion sur le disque de l'autre. C'est une hypothèse de ce chapitre ; les sources de la base ne tranchent pas²⁷. Ce qui départagerait, ce sont des âges mesurés directement sur les étoiles des débris de Gaia-Enceladus et sur celles du disque épais les plus touchées par la collision. On saurait alors quelle population a été chauffée, et quand.

Sur le fond, les deux équipes s'accordent. La Voie lactée a subi, dans ses trois ou quatre premiers milliards d'années, une collision majeure avec une galaxie naine assez massive. Cette collision a peuplé son halo interne, lui a apporté des amas globulaires, et a transformé la structure de son disque. Les débris de cette galaxie sont toujours là, dans le halo qui nous entoure. Une part des vieilles étoiles que l'on observe dans notre voisinage galactique ne sont pas nées dans la Voie lactée.

Ce que le halo garde, ce que la Galaxie transmet

Le halo est une archive, et il garde plus qu'une collision. C'est parmi ses étoiles les plus pauvres en métaux qu'on mesure le lithium des premières minutes Fields 2020 (→ chap. 5). Pour les étoiles dont la métallicité [Fe/H] est comprise entre −2,7 et −1,5 environ, plus de cent étoiles au total, l'abondance de lithium est uniforme, avec peu de dispersion : c'est le plateau de Spite. Sa valeur est de (1,6 ± 0,3) × 10⁻¹⁰ atome de lithium par atome d'hydrogène Fields 2020. La nucléosynthèse des premières minutes en prédit 4,70 × 10⁻¹⁰, soit environ trois fois plus Fields 2020. Le chapitre sur les trois premières minutes a exposé ce désaccord, le « problème du lithium », et les pistes qui s'y disputent : une physique nucléaire désormais presque disculpée, une destruction du lithium dans les étoiles elles-mêmes, la piste la plus suivie, et une physique nouvelle très contrainte par le deutérium (→ chap. 5).

Ce chapitre ajoute un point au dossier. Les étoiles qui servent à mesurer le lithium primordial appartiennent au halo, et le halo interne est dominé par les débris de Gaia-Enceladus Helmi 2018. Il est donc possible qu'une partie des étoiles du plateau de Spite soient nées dans une autre galaxie que la nôtre. La fiche qui sert de base à ce chapitre signale ce lien comme un « pont possible », pas comme un fait établi ²⁸. Aucune source de la base ne dit quelles étoiles du plateau viennent de Gaia-Enceladus et lesquelles sont nées dans la Voie lactée. Si des étoiles des deux origines portent le même lithium, cette uniformité devient un indice de plus que ce lithium est un héritage commun, antérieur aux deux galaxies, et que ce qui l'a réduit, s'il y a eu réduction, agit de la même façon partout. C'est un raisonnement de ce chapitre, qui attend des données.

Le halo garde ainsi deux strates de l'histoire. La plus profonde est celle des premières minutes : un lithium fabriqué avant toute étoile, que des étoiles pauvres en métaux ont reçu presque intact, à la réserve près du facteur trois. La plus récente est celle de l'assemblage de la Galaxie : la proto-Galaxie chaotique d'Aurora, puis les débris d'une galaxie absorbée il y a 10 à 11 milliards d'années. Ces étoiles anciennes relient donc les premières minutes à l'histoire de notre Galaxie.

Le disque, lui, a continué. Pendant les 5 à 6 milliards d'années qui suivent son début, son enrichissement chimique est multiplié par dix, dans un gaz bien mélangé Xiang 2022. Puis vient la coupure des 8 milliards d'années, et une seconde partie de l'histoire, plus récente Xiang 2022. Le gaz du disque fait tour après tour de la boucle décrite au chapitre sur la forge : des étoiles naissent, forgent des éléments, les rendent au gaz en mourant, et d'autres étoiles naissent de ce gaz enrichi Kobayashi 2020 (→ chap. 12). Les supernovas Ia y ajoutent leur fer avec retard, et le rapport entre éléments alpha et fer baisse Kobayashi 2020. Les catastrophes plus rares du chapitre précédent y ajoutent leur or (→ chap. 13).

C'est de ce gaz travaillé que naît le Soleil, environ 9,2 milliards d'années après le Big Bang, il y a environ 4 567 millions d'années, aux deux tiers de l'histoire cosmique Connelly 2012²⁹. Sur l'année cosmique, sa naissance tombe à la fin d'août : le disque de la Voie lactée avait alors sept mois. Le Soleil hérite d'un gaz où les métaux font 1,39 % de la masse Asplund 2021. Il n'est probablement pas né là où il se trouve. Il est plus riche en métaux que ses voisines du même âge, ce qui suggère une naissance plus près du centre de la Galaxie, puis une migration vers l'extérieur ; une étude de 2026 portant sur des milliers d'étoiles semblables au Soleil conclut que ce déplacement, sur plus de 3 kiloparsecs, est « partagé par de nombreuses étoiles du disque interne » Tsujimoto 2026³⁰. Où, quand et comment le Soleil est né, et ce que cette naissance tardive lui a donné en héritage, c'est l'objet du chapitre 15.

Ce qu'on ne sait pas

On ne sait pas dater précisément la fusion avec Gaia-Enceladus. Helmi et ses coauteurs la placent vers 10 milliards d'années Helmi 2018, Xiang et Rix vers 11 milliards d'années Xiang 2022. L'écart d'un milliard d'années peut venir de méthodes d'âge différentes, ou de ce que chaque date désigne un moment différent d'une fusion qui a duré. La base ne permet pas de choisir. Ce qui départagerait : des âges individuels mesurés sur les étoiles des débris et sur les étoiles chauffées du disque épais, obtenus par une même méthode. Confiance élevée sur l'existence de la fusion et sur son rapport de masse d'environ 4 pour 1 tel qu'il est estimé ; confiance modérée sur la date au milliard d'années près.

On ne sait pas bien quand ni pourquoi la proto-Galaxie s'est mise à tourner. Le spin-up d'Aurora est repéré en métallicité, pas en années Belokurov 2022. Pour le placer sur la frise, il faut une relation entre âge et métallicité dans la proto-Galaxie, que les sources de ce livre ne donnent pas. Le mécanisme qui a transformé un gaz désordonné en disque n'y est pas décrit non plus. Le résultat est récent et n'est connu ici que par un résumé paraphrasé. Confiance modérée sur le récit d'ensemble, un avant-disque chaotique puis un disque formé vite ; faible sur la chronologie fine.

On ne sait pas, dans ce livre, ce qui provoque la coupure des 8 milliards d'années. Xiang et Rix observent que la distribution âge-métallicité se sépare en deux parties presque disjointes Xiang 2022. Ce qui distingue chimiquement les deux parties, et la cause que les auteurs avancent, ne sont pas dans l'extrait lu. Le fait est établi par l'étude ; son interprétation manque à la base.

On ne sait pas quelle part du halo, ni quelle part des étoiles du plateau de Spite, vient de Gaia-Enceladus. Le halo interne est « dominé » par ses débris Helmi 2018, mais le mot ne donne pas de proportion. Si une proportion était connue pour les étoiles où l'on mesure le lithium, on pourrait comparer le plateau dans les deux populations : un plateau identique dans des étoiles nées dans deux galaxies différentes renforcerait l'idée d'un héritage commun.

Enfin, l'archéologie galactique a ses propres limites de principe. La métallicité n'est qu'un indicateur approximatif de l'âge, puisqu'une petite galaxie peut rester pauvre en métaux longtemps (→ chap. 13). Or c'est précisément le cas d'une galaxie comme Gaia-Enceladus : ses étoiles pauvres en métaux ne sont pas nécessairement plus vieilles que des étoiles plus riches de la Voie lactée. L'horloge alpha/fer, elle, dépend vraisemblablement du rythme de formation d'étoiles de chaque galaxie, et les sources de ce livre ne documentent pas cette dépendance (→ chap. 12). Les âges des sous-géantes réduisent ces ambiguïtés, sans les supprimer pour les étoiles, nombreuses, qui ne sont pas des sous-géantes.

Ce que ce chapitre démontre

Les éléments plus lourds que l'hélium sont fabriqués dans les étoiles et rejetés à leur mort ; la génération suivante naît d'un gaz qui les contient. Chaque étoile est donc un fossile de la chimie de son gaz natal : c'est le principe de l'archéologie galactique Kobayashi 2020. Le rapport entre éléments alpha et fer baisse avec le temps, à cause de l'enrichissement retardé en fer par les supernovas Ia Kobayashi 2020. Combiné aux âges des étoiles et à leurs mouvements, mesurés par Gaia, ce rapport permet de reconstituer l'ordre de formation des populations d'étoiles de la Galaxie sans observer son passé.

Dans les données APOGEE et Gaia, Belokurov et Kravtsov isolent une population ancienne et pauvre en métaux, Aurora, cinématiquement chaude et à rotation d'ensemble modeste. Au-delà d'un seuil de métallicité, la rotation des étoiles augmente brusquement. Les auteurs y lisent une évolution chaotique avant le disque, puis la formation rapide de celui-ci en un à deux milliards d'années Belokurov 2022.

À partir de l'âge et de la métallicité de 250 000 sous-géantes, Xiang et Rix montrent que la formation du disque ancien, ou disque épais, a commencé il y a 13 milliards d'années, 0,8 milliard d'années après le Big Bang Xiang 2022. La réionisation s'étendant d'environ 0,3 à environ 1,1 milliard d'années esa2015reion Bosman 2022, le disque commence à se former avant qu'elle soit achevée, et la Voie lactée est presque aussi vieille que l'Univers visible par Webb. La distribution âge-métallicité des étoiles se coupe en deux parties presque disjointes, séparées à 8 milliards d'années. Pendant les 5 à 6 milliards d'années qui suivent le début du disque, l'enrichissement chimique est multiplié par dix, dans un gaz resté bien mélangé Xiang 2022.

En 2018, Helmi et ses coauteurs montrent que le halo interne est dominé par les débris d'une galaxie un peu plus massive, à son arrivée, que le Petit Nuage de Magellan : Gaia-Enceladus. Des centaines d'étoiles RR Lyrae et treize amas globulaires lui sont associés. Avec un rapport de masse estimé à 4 pour 1, la fusion a chauffé le précurseur du disque épais et contribué à le former, il y a environ 10 milliards d'années selon ces auteurs Helmi 2018. Xiang et Rix situent vers 11 milliards d'années le pic de formation des étoiles anciennes, pendant la fusion, et l'assemblage final du halo interne deux milliards d'années après le début du disque Xiang 2022. L'écart d'environ un milliard d'années reste ouvert : la fusion a eu lieu il y a 10 à 11 milliards d'années.

Les vieilles étoiles pauvres en métaux du halo portent encore le lithium des premières minutes, au niveau du plateau de Spite, (1,6 ± 0,3) × 10⁻¹⁰, environ trois fois moins que la prédiction Fields 2020. Le disque, lui, a continué de s'enrichir pendant des milliards d'années, et c'est de ce gaz travaillé que naîtra le Soleil, probablement plus près du centre de la Galaxie que là où il se trouve aujourd'hui Tsujimoto 2026.

Notes