Avec l'aide d'un logiciel qui imite un cerveau humain, Le satellite Gaia de l'ESA a repéré six étoiles filant à grande vitesse du centre de notre galaxie à sa périphérie. Cela pourrait fournir des informations clés sur certaines des régions les plus obscures de la Voie lactée.

Notre maison galactique, la voie Lactée, abrite plus de cent milliards d'étoiles, tous maintenus ensemble par gravité. La plupart sont situés dans une structure aplatie - le disque galactique - avec un renflement en son centre, tandis que les étoiles restantes sont réparties dans un halo sphérique plus large s'étendant jusqu'à environ 650 000 années-lumière du centre.

Les étoiles ne sont pas immobiles dans la galaxie mais se déplacent autour de son centre avec une variété de vitesses en fonction de leur emplacement - par exemple, le soleil tourne à environ 220 km/s, tandis que la moyenne dans le halo est d'environ 150 km/s.

Parfois, quelques étoiles dépassent ces vitesses déjà assez impressionnantes.

Certains sont accélérés par une rencontre stellaire rapprochée ou l'explosion en supernova d'un compagnon stellaire, résultant en des étoiles en fuite avec des vitesses allant jusqu'à quelques centaines de km/s au-dessus de la moyenne.

Une nouvelle classe d'étoiles à grande vitesse a été découverte il y a un peu plus de dix ans. Traversant la galaxie à plusieurs centaines de km/s, ils sont le résultat d'interactions passées avec le trou noir supermassif qui se trouve au centre de la Voie lactée et, avec une masse de quatre millions de soleils, régit les orbites des étoiles dans son voisinage.

"Ces étoiles à hypervitesse sont extrêmement importantes pour étudier la structure globale de notre Voie lactée, " dit Elena Maria Rossi de l'Université de Leiden aux Pays-Bas, qui a présenté aujourd'hui la découverte par Gaia de six nouvelles étoiles de ce type à la Semaine européenne de l'astronomie et des sciences spatiales à Prague, République Tchèque.

"Ce sont des étoiles qui ont parcouru de grandes distances à travers la galaxie mais peuvent être retracées jusqu'à son noyau - une zone si dense et obscurcie par le gaz et la poussière interstellaires qu'il est normalement très difficile à observer - elles fournissent donc des informations cruciales sur le champ gravitationnel de la Voie lactée du centre à sa périphérie."

Malheureusement, les étoiles en mouvement rapide sont extrêmement difficiles à trouver dans la botte de foin stellaire de la Voie lactée, car les sondages actuels indiquent la vitesse d'au plus quelques centaines de milliers d'étoiles.

Pour les trouver, les scientifiques recherchent des jeunes, des étoiles massives qui se démarqueraient comme des intrus dans l'ancienne population stellaire du halo galactique. Abandonnés par leur âge déplacé, ces étoiles ont probablement reçu un coup de pied supplémentaire pour atteindre le halo. Des mesures supplémentaires de leurs vitesses et des estimations de leurs trajectoires passées peuvent confirmer s'il s'agit bien d'étoiles à hypervitesse qui ont été repoussées du centre de la Voie lactée.

Jusque là, seulement 20 de ces étoiles ont été repérées. En raison de la sélection spécifique de cette méthode, ce sont toutes de jeunes étoiles d'une masse 2,5 à 4 fois supérieure à celle du soleil. Cependant, les scientifiques pensent que beaucoup plus d'étoiles d'autres âges ou masses accélèrent à travers la galaxie mais ne sont pas révélées par ce type de recherche.

Le recensement d'un milliard d'étoiles réalisé par Gaia offre une opportunité unique, Elena et ses collaborateurs ont donc commencé à se demander comment utiliser un ensemble de données aussi vaste pour optimiser la recherche d'étoiles en mouvement rapide.

Après avoir testé différentes méthodes, ils se sont tournés vers un logiciel grâce auquel l'ordinateur apprend de l'expérience précédente.

"À la fin, nous avons choisi d'utiliser un réseau de neurones artificiels, qui est un logiciel conçu pour imiter le fonctionnement de notre cerveau, " explique Tommaso Marchetti, Doctorant à l'Université de Leiden et auteur principal de l'article décrivant les résultats publiés dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

« Après une « formation » appropriée, il peut apprendre à reconnaître certains objets ou modèles dans un vaste ensemble de données. Dans notre cas, nous lui avons appris à repérer les étoiles à hypervitesse dans un catalogue d'étoiles comme celui compilé avec Gaia."

Dans le cadre du projet de recherche d'Elena pour étudier ces étoiles, l'équipe a commencé à développer et à former ce programme au premier semestre 2016, afin d'être prêt pour la première diffusion des données Gaia quelques mois plus tard, le 14 septembre.

Outre une carte de plus d'un milliard de positions stellaires, cette première version comprenait un catalogue plus petit avec des distances et des mouvements pour deux millions d'étoiles, combiner les observations de la première année de Gaia avec celles de la mission Hipparcos de l'ESA, qui a cartographié le ciel il y a plus de deux décennies. Appelée la solution astrométrique Tycho-Gaia, ou TGAS, cette ressource est un avant-goût des futurs catalogues qui seront basés uniquement sur les données Gaia.

"Le jour de la publication des données, nous avons exécuté notre tout nouvel algorithme sur les deux millions d'étoiles de TGAS, " dit Elena.

« En une heure seulement, le cerveau artificiel avait déjà réduit l'ensemble de données à quelque 20 000 étoiles potentielles à grande vitesse, réduire sa taille à environ 1%.

"Une sélection supplémentaire comprenant uniquement des mesures au-dessus d'une certaine précision de distance et de mouvement a ramené ce nombre à 80 étoiles candidates."

L'équipe a examiné ces 80 étoiles plus en détail. Étant donné que seules les informations sur le mouvement de l'étoile dans le ciel sont incluses dans les données TGAS, ils ont dû trouver des indices supplémentaires pour déduire leur vitesse, en regardant les catalogues stellaires précédents ou en effectuant de nouvelles observations.

"En combinant toutes ces données, nous avons découvert que six étoiles remontent au centre galactique, tous avec des vitesses supérieures à 360 km/s, " dit Tommaso.

Plus important encore, les scientifiques ont réussi à sonder une population différente des 20 étoiles déjà connues :les étoiles nouvellement identifiées ont toutes des masses plus faibles, semblable à la masse de notre soleil.

L'une des six étoiles semble accélérer si vite, à plus de 500 km/s, qu'il n'est plus lié par la gravité de la galaxie et finira par partir. Mais l'autre, étoiles un peu plus lentes, sont peut-être encore plus fascinants, alors que les scientifiques sont impatients de savoir ce qui les a ralentis - la matière noire invisible qui est censée envahir la Voie lactée pourrait également avoir joué un rôle.

Alors que le nouveau programme a été optimisé pour rechercher des étoiles accélérées au centre de la galaxie, il a également identifié cinq des stars les plus traditionnelles en fuite, qui doivent leurs vitesses élevées à des rencontres stellaires ailleurs dans la Voie lactée.

"Ce résultat montre le grand potentiel de Gaia ouvrant de nouvelles voies pour étudier la structure et la dynamique de notre galaxie, " dit Anthony Brown de l'Université de Leyde, co-auteur de l'étude et président du Gaia Data Processing and Analysis Consortium.

Les scientifiques sont impatients d'utiliser les données de la prochaine version de Gaia, qui est prévu pour avril 2018 et comprendra les distances et les mouvements dans le ciel pour plus d'un milliard d'étoiles, ainsi que les vitesses pour un sous-ensemble.

Face à un milliard d'étoiles, plutôt que les deux millions explorés jusqu'à présent, est un énorme défi, L'équipe est donc occupée à mettre à niveau son programme pour gérer un catalogue aussi énorme et pour découvrir les nombreuses étoiles rapides qui se cacheront dans les données.

"Le grand nombre d'étoiles sondées par Gaia est une opportunité passionnante mais aussi stimulante pour les astronomes, et nous sommes heureux de voir qu'ils relèvent le défi avec joie, " dit Timo Prusti, Scientifique du projet Gaia à l'ESA.