Afin de mieux comprendre l'histoire et l'évolution de la Voie lactée, les astronomes étudient la composition des gaz et des métaux qui constituent une partie importante de notre galaxie. Trois éléments principaux ressortent :le gaz initial venant de l'extérieur de notre galaxie, le gaz entre les étoiles à l'intérieur de notre galaxie - enrichi en éléments chimiques -, et les poussières créées par la condensation des métaux présents dans ce gaz.

Jusqu'à maintenant, les modèles théoriques supposaient que ces trois éléments étaient mélangés de manière homogène dans toute la Voie lactée et atteignaient un niveau d'enrichissement chimique similaire à celui de l'atmosphère solaire, appelé la métallicité solaire. Aujourd'hui, une équipe d'astronomes de l'Université de Genève (UNIGE) démontre que ces gaz ne se mélangent pas autant qu'on le pensait auparavant, qui a un fort impact sur la compréhension actuelle de l'évolution des galaxies. Par conséquent, les simulations de l'évolution de la Voie lactée devront être modifiées. Ces résultats peuvent être lus dans la revue La nature .

Les galaxies sont constituées d'un ensemble d'étoiles et sont formées par la condensation du gaz du milieu intergalactique composé principalement d'hydrogène et d'un peu d'hélium. Ce gaz ne contient pas de métaux contrairement au gaz des galaxies - en astronomie, tous les éléments chimiques plus lourds que l'hélium sont collectivement appelés métaux, bien qu'ils soient des atomes sous forme gazeuse.

"Les galaxies sont alimentées par du gaz 'vierge' qui tombe de l'extérieur, qui les rajeunit et permet à de nouvelles étoiles de se former, " explique Annalisa De Cia, professeur au Département d'astronomie de la Faculté des sciences de l'UNIGE et premier auteur de l'étude. À la fois, les étoiles brûlent l'hydrogène qui les constitue tout au long de leur vie et forment d'autres éléments par nucléosynthèse. Quand une étoile en fin de vie explose, il expulse les métaux qu'il a produits, comme le fer, zinc, carbone et silicium, alimenter ces éléments dans le gaz de la galaxie. Ces atomes peuvent alors se condenser en poussière, surtout par temps froid, parties les plus denses de la galaxie. "Initialement, quand la Voie Lactée s'est formée, il y a plus de 10 milliards d'années, il n'avait pas de métaux. Puis les étoiles ont progressivement enrichi l'environnement avec les métaux qu'elles ont produits, " poursuit le chercheur. Lorsque la quantité de métaux dans ce gaz atteint le niveau présent dans le soleil, les astronomes parlent de métallicité solaire.

Un environnement pas si homogène

L'environnement qui compose la Voie lactée rassemble ainsi les métaux produits par les étoiles, les particules de poussière qui se sont formées à partir de ces métaux, mais aussi des gaz extérieurs à la galaxie qui y pénètrent régulièrement. "Jusqu'à maintenant, les modèles théoriques considéraient que ces trois éléments étaient mélangés de manière homogène et atteignaient la composition solaire partout dans notre galaxie, avec une légère augmentation de la métallicité au centre, où les étoiles sont plus nombreuses, " explique Patrick Petitjean, chercheur à l'Institut d'Astrophysique de Paris, Sorbonne Université. "Nous voulions observer cela en détail à l'aide d'un spectrographe ultraviolet sur le télescope spatial Hubble."

La spectroscopie permet de séparer la lumière des étoiles dans ses couleurs ou fréquences individuelles, un peu comme un avec prisme ou dans un arc-en-ciel. Dans cette lumière décomposée, les astronomes s'intéressent particulièrement aux raies d'absorption :"Quand on observe une étoile, les métaux qui composent le gaz entre l'étoile et nous absorbent une très petite partie de la lumière de façon caractéristique, à une fréquence précise, ce qui nous permet non seulement d'identifier leur présence, mais aussi pour dire de quel métal il s'agit, et combien il est abondant, " il continue.

Une nouvelle méthode développée pour observer la métallicité totale

Pendant 25 heures, l'équipe de scientifiques a observé l'atmosphère de 25 étoiles à l'aide de Hubble et du Very Large Telescope (VLT) au Chili. Le problème? La poussière ne se compte pas avec ces spectrographes, même s'il contient des métaux. L'équipe d'Annalisa De Cia a donc développé une nouvelle technique d'observation. « Il s'agit de prendre en compte la composition totale du gaz et des poussières en observant simultanément plusieurs éléments comme le fer, zinc, titane, silicium et oxygène, " explique le chercheur genevois. " On pourra alors tracer la quantité de métaux présents dans les poussières et l'ajouter à celle déjà quantifiée par les observations précédentes pour obtenir le total. "

Grâce à cette double technique d'observation, les astronomes ont découvert que non seulement l'environnement de la Voie lactée n'est pas homogène, mais que certaines des zones étudiées n'atteignent que 10 % de la métallicité solaire. "Cette découverte joue un rôle clé dans la conception de modèles théoriques sur la formation et l'évolution des galaxies, " dit Jens-Kristian Krogager, chercheur au Département d'Astronomie de l'UNIGE. "À partir de maintenant, il faudra affiner les simulations en augmentant la résolution, afin que nous puissions inclure ces changements de métallicité à différents endroits de la Voie lactée."

Ces résultats ont un fort impact sur notre compréhension de l'évolution des galaxies et de la nôtre en particulier. En effet, les métaux jouent un rôle fondamental dans la formation des étoiles, poussière cosmique, molécules et planètes. Et nous savons maintenant que de nouvelles étoiles et planètes pourraient se former aujourd'hui à partir de gaz de compositions très différentes.