Archéologie galactique : enquête sur l’histoire de la Voie lactée avec Rodrigo Ibata

Rodrigo Ibata : On ne peut bien sûr pas remonter dans le temps et retrouver les origines de la Voie lactée. En revanche, on peut chercher dans le ciel d'aujourd'hui les traces que son histoire y a laissées.

Chaque étoile comporte trois types d'information. Sa position et son mouvement nous renseignent sur son orbite, c'est-à-dire sur le chemin qu'elle parcourt autour du centre galactique. Sa composition chimique contient la mémoire du nuage de gaz dans lequel elle s'est formée. Et lorsqu'un grand nombre d'étoiles ont des mouvements et une chimie semblables, on peut souvent reconnaître les restes d'un même amas ou d'une même petite galaxie.

C'est exactement ce qui s'est produit avec la galaxie naine du Sagittaire que nous avons découverte en 1994 en cours d’absorption et de destruction par la Voie lactée. Les immenses courants d'étoiles produits par ces processus peuvent subsister très longtemps après la quasi disparition de leur système d'origine, et nous avons retrouvé le même phénomène autour de la galaxie d’Andromède (la soeur de la Voie Lactée), caractérisée par un gigantesque courant stellaire. Plus récemment, grâce à la mission Gaia de l’Agence Spatiale Européenne, nous avons trouvé les orbites des amas globulaires, courants stellaires et galaxies satellites de la Voie Lactée, reconnaissant ainsi six grandes familles : six événements d'accrétion distincts, six petites galaxies avalées par la nôtre.

Il s’agit donc d’une véritable enquête de police scientifique à l'échelle de la Galaxie, permettant de reconstituer son histoire à partir de « débris » encore présents aujourd’hui.

R. I : L'archéologie galactique utilise les étoiles anciennes comme des archives d'époques que nous ne pouvons plus observer directement.

L'analogie avec les fossiles est justifiée par le fait que la recherche porte non seulement sur les étoiles individuelles, mais aussi sur les structures auxquelles elles appartenaient. Un courant stellaire est, en quelque sorte, le squelette d'un amas ou d'une petite galaxie, mis en pièces par les forces de marée de la Voie lactée.

Le courant stellaire que nous avons nommé C-19 en offre un exemple remarquable. Nous avons montré qu'il s'agit de la structure stellaire aux propriétés chimiques les plus primitives connue : elle contient environ 2 500 fois moins d'éléments lourds (c’est-à-dire ni hydrogène, ni hélium) que le Soleil. Les abondances chimiques détaillées de ses étoiles indiquent aujourd'hui qu’elle a été formée très tôt, probablement moins d'un milliard d'années après le Big Bang, lors d'un épisode de formation stellaire bref et intense. Cet exemple montre qu’un objet presque entièrement détruit peut encore conserver des informations concernant les toutes premières phases de l’Univers.

Ces fossiles nous donnent également des indications concernant le devenir de la Galaxie, signalant que l'accrétion n'est pas un phénomène du passé. La galaxie du Sagittaire nous donne ainsi en temps réel des informations concernant le mécanisme d’absorption de ses satellites par par la Voie lactée. Nous pouvons aussi voir comment le Grand Nuage de Magellan déforme déjà le halo et perturbe les orbites des courants du ciel austral. Et nous pouvons intégrer les orbites actuelles, que nous connaissons, vers l'avenir aussi bien que vers le passé : la même méthode qui remonte le temps permet de le redescendre.

R. I : Afin de passer d’une immense base de données à une découverte, il s’agit avant tout de trouver la bonne manière de poser une question à ces données.

C’est le cas avec Gaia, mission qui a accumulé des centaines d'observations d'environ deux milliards d'objets avant de terminer ses observations scientifiques en 2025, et dont la quatrième publication de données est attendue en fin d'année. Face à de tels volumes de données, il n'est évidemment plus question d'examiner les étoiles une par une.

Pour étudier ces données, nous avons développé un algorithme qui pose en substance la question suivante : parmi toutes ces étoiles, lesquelles pourraient appartenir à une même structure orbitale ? L’algorithme a révélé toute une population de courants, et nous a permis de constituer un atlas, fondé sur Gaia DR3, qui rassemble 87 structures fines.

L'étape suivante, dont on parle moins, est décisive : il s’agissait de contrôler les biais de sélection et les faux positifs, obtenir des vitesses radiales et des abondances chimiques indépendantes, puis confronter les structures à un modèle physique, afin d’identifier des candidats sérieux.

R. I : Il est important de diversifier nos méthodologies parce qu'aucun instrument ne nous donne à lui seul toutes les coordonnées du problème.

Gaia mesure avec une précision extraordinaire les positions, les parallaxes et les mouvements propres, mais son action est limitée au seul plan du ciel. Un relevé terrestre comme Pristine sélectionne efficacement les étoiles très pauvres en métaux. De grands spectrographes sont nécessaires pour fournir les vitesses le long de la ligne de visée et les abondances détaillées des éléments chimiques. Enfin, le calcul numérique et les simulations permettent de reconstruire les orbites, puis de modéliser la destruction des systèmes et comparer les observations à différents champs gravitationnels.

La trainée stellaire C-19 pourrait être considérée comme un cas d'école de ce que permet une telle complémentarité. Sa caractérisation a nécessité que soient combinés le relevé Pristine au CFHT, Gaia, des observations spectroscopiques avec Gemini/GRACES, le VLT et le Gran Telescopio Canarias, des données de LAMOST, ainsi que les ressources de calcul intensif de l’université de Strasbourg utilisées pour la détection. De la même façon, les courants découverts par astrométrie dans Gaia ont dû être testés par des mesures spectroscopiques indépendantes avant de pouvoir être considérés comme des objets astrophysiques fiables.

Les collaborations internationales et grands projets font donc partie de la méthode scientifique elle-même, parce que la découverte naît souvent à l'intersection de données et de compétences très différentes.

R. I : La difficulté fondamentale vient de ce qu’alors que nous observons la Galaxie telle qu'elle est aujourd'hui, et cherchons quelles histoires ont pu conduire à cet état, une partie de l'information s'efface progressivement. Les débris les plus anciens se mélangent éventuellement dans l'espace des phases. Plusieurs événements différents peuvent produire des signatures très similaires, et comme le souligne notre atlas dynamique des fusions, le nombre total de fusions subies par la Voie lactée, leurs propriétés et leur contribution précise au halo restent mal connus.

A cela s’ajoute le fait que la Galaxie n'est ni parfaitement stationnaire ni parfaitement axisymétrique. Sa barre et ses bras spiraux ne cessent de modifier les orbites, et les courants sont également perturbés par les interactions avec d'autres galaxies, en particulier le Grand Nuage de Magellan. Nos travaux récents montrent ainsi qu'une fusion galactique peut créer dans ces courants des asymétries, des surdensités ou des sous-densités qui pourraient autrement être attribuées à la matière noire. Il existe donc de véritables dégénérescences dans l'interprétation, qu’il faut modéliser avant de proposer des conclusions.

Je préfère donc dire que l'archéologie galactique ne permet pas de reconstituer une histoire univoque de la Voie lactée. Nous cherchons plutôt un ensemble d'histoires compatibles avec les observations, dont la probabilité se précise au fur et à mesure.

R. I : On peut considérer les étoiles comme des accéléromètres gravitationnels naturels. La matière noire n'émet pas de lumière, mais peut produire un champ gravitationnel auquel les étoiles doivent répondre : leurs vitesses, leurs orbites et la géométrie des courants portent donc la signature de toute la masse, visible ou invisible.

Les courants stellaires apportent des informations précieuses parce qu'ils sont dynamiquement très froids : étant donné que leurs étoiles suivent des orbites presque identiques, les petites perturbations de leur trajectoire, de leur épaisseur ou de leur densité restent inscrites dans leur forme. Nos premiers travaux sur le courant de la galaxie du Sagittaire avaient montré comment sa géométrie pouvait contraindre la forme du halo gravitationnel. A présent, le vaste atlas obtenu avec Gaia DR3 permet d'aller nettement plus loin. Ainsi, en ajustant simultanément tous les courants dans un même potentiel, nous obtenons un halo sombre un peu aplati, dont la densité au voisinage du Soleil confirme les mesures dynamiques locales, obtenues par des méthodes complètement différentes. Cette convergence est une validation essentielle de l’approche.

Une seconde possibilité, peut-être encore plus fascinante serait que de petits sous-halos entièrement noirs puissent traverser un courant et y laisser une empreinte, comme nous le proposions déjà en 2002. Le cas du courant stellaire GD-1 est frappant : les données Gaia DR3 montrent que ce courant très fin est accompagné d'une composante « chaude », c'est-à-dire d'étoiles plus dispersées en position et en vitesse. L'explication la plus plausible serait que son amas progéniteur ait d'abord vécu à l'intérieur de son propre sous-halo de matière noire, au sein d'une galaxie naine, avant d'être lui-même arraché.

Une distinction importante reste à faire, toutefois. Si la dynamique stellaire nous révèle le champ gravitationnel et la distribution de la masse invisible, elle ne nous dit pas directement de quel type de particule cette matière est constituée. Dans ce cas également, la barre de notre galaxie, les amas, les nuages moléculaires ou d'anciennes fusions peuvent imiter certaines signatures de sous-structures sombres, ce qui est une raison de plus pour modéliser ces perturbations.

R. I : Bien sûr, et je suis particulièrement surpris par les objets les moins spectaculaires en apparence.

Un courant comme C-19 n'est qu'une traînée extrêmement ténue d'étoiles dans le halo, le vestige d'un système qui a lui-même presque entièrement cessé d'exister. Et pourtant, sa composition chimique nous indique qu'il s'est formé dans des conditions extraordinairement primitives dans un épisode de formation bref et très ancien (probablement moins d'un milliard d'années après le Big Bang), suite auquel il n’y a eu presque aucune évolution chimique.

Il me semble extraordinaire qu'une structure presque entièrement effacée par des milliards d'années de dynamique conserve encore une information aussi précise sur l'Univers primordial. C'est aussi la raison pour laquelle les courants stellaires me paraissent si beaux et surprenants: ce sont à la fois des ruines archéologiques et des instruments de physique. On peut les utiliser pour raconter d'où vient la Galaxie, et pour mesurer le champ de gravité dans lequel elle se situe aujourd'hui.

R. I : Je choisirais une question située à la frontière entre l'astrophysique et la physique fondamentale : quelle est réellement la nature du champ gravitationnel invisible qui relie les galaxies ? Possède-t-il, comme le prévoit le modèle de la matière noire froide, toute une population de petites sous-structures ? Pour y répondre, il me semblerait important de concevoir un héritier de Gaia, à savoir une mission capable d'astrométrie très precise (de l'ordre de la microseconde d'arc) sur tout le ciel.

L'argument temporel est décisif. Les mesures effectuées par Gaïa, dont la mission s’est terminée en 2025, constituent désormais une première époque astrométrique exceptionnelle. Une mission future fournirait une seconde époque plus éloignée dans le temps, ce qui donnerait des informations sur des mouvements propres d'une précision autrement hors d’atteinte.

L'objectif ne serait alors plus simplement de cartographier la Voie lactée, mais de cartographier directement son champ d'accélération et sa granularité, avec des centaines de courants stellaires, des amas, des satellites et des étoiles du disque servant de particules tests. Ce serait, à mon sens, l'un des moyens les plus efficaces de déterminer si la matière invisible se comporte aux petites échelles comme le prévoit le modèle cosmologique standard, ou si de nouvelles possibilités physiques s’ouvrent à nous dans le champ de la physique.