Voir les limites de notre propre galaxie, la Voie lactée, reste ardu, mais ce n’est pas faute d’avoir essayé ; le problème, c’est que nous vivons dans l’un de ses bras spiraux (le bras d’Orion), ce qui nous prive d’en avoir une vue d’ensemble. C’est exactement comme si l’on essayait de mesurer la longueur des murs d’une pièce plongée dans l’obscurité totale. Même en admettant que l’on puisse y parvenir, comment concevoir sa « limite », lorsqu’on sait que, comme toutes les autres galaxies, elle se dilue dans le milieu intergalactique ?
Pourtant, des chercheurs pensent avoir trouvé cette frontière ; leurs travaux, publiés au mois d’avril dans la revue Astronomy & Astrophysics, établissent qu’elle se situe là où l’âge moyen des étoiles, après avoir diminué régulièrement depuis le centre, recommence à augmenter. Il ne faut pas s’imaginer une structure ou une région au sens physique du terme, mais un seuil thermodynamique et gravitationnel, un rayon au-delà duquel le gaz est trop raréfié pour amorcer les effondrements moléculaires qui donnent naissance aux étoiles.
La Voie lactée, vue de l’intérieur
La Voie lactée s’étend sur environ 100 000 années-lumière de diamètre, mais elle ne s’arrête pas net comme un continent sur une carte : elle s’efface, étoile après étoile, jusqu’à ce que le vide prenne le dessus. Définir un « bord » dans ces conditions revient donc à chercher le point de rupture thermodynamique où l’énergie du milieu intergalactique devient plus forte que la capacité de la galaxie à condenser sa propre matière.
Pour le situer, l’équipe a choisi d’utiliser l’âge des étoiles comme des espèces de marqueurs géographiques. Ils en ont analysé plus de 100 000, en croisant les données de trois grandes catalogues stellaires : APOGEE-DR17, LAMOST-DR3 et Gaia.
En partant du centre galactique vers l’extérieur, les étoiles rajeunissent : le noyau, riche en gaz dès les origines, a produit ses étoiles en premier, quand les régions périphériques, moins denses, n’avaient pas encore rassemblé assez de matière pour en former. Mais à environ 40 000 années-lumière du centre (entre 11,28 et 12,15 kiloparsecs, pour être précis), c’est l’inverse : des étoiles anciennes réapparaissent, sans que rien dans leur environnement immédiat ne puisse l’expliquer, car le gaz y est bien trop diffus pour leur avoir donné naissance.
Elles viennent de l’intérieur, expédiées par deux types de structures que la galaxie génère elle-même en tournant. La première, ce sont les bras spiraux : d’immenses filaments d’étoiles, de gaz et de poussière qui s’enroulent autour du centre galactique comme les branches d’une roue, et dont les forces gravitationnelles peuvent expulser des étoiles de leur orbite.
La seconde, c’est la barre galactique : une structure allongée d’étoiles qui traverse le noyau de la Voie lactée en son centre, et dont la rotation déloge également les étoiles loin de leur région de naissance.
Entre ces deux différentes populations d’astres, aux âges différents se trouve la zone la plus jeune de notre galaxie : le seul endroit où les étoiles sont encore fraîchement nées sur place. Une frontière naturelle au-delà de laquelle la Voie lactée ne fabrique plus d’étoiles.
Une galaxie qui se referme sur elle-même
Pourquoi les étoiles ne peuvent plus naître au-delà de cette limite ? Trois phénomènes indépendants contribuent à l’arrêt de la genèse stellaire et rendent cette région « stérile ». Le premier est provoqué par la rotation de la barre en tournant, elle exerce sur le gaz des impulsions gravitationnelles répétées comme si l’on poussait une balançoire en mouvement dans le mauvais sens pour la freiner (un phénomène appelé résonance de Lindblad). De fait, le gaz est repoussé vers l’intérieur du centre galactique, privant les régions périphériques d’une des matières premières dont elles auraient besoin pour former de nouvelles étoiles.
Le deuxième phénomène : la Voie lactée étant un disque dans laquelle les étoiles et le gaz orbitent tous dans le même plan, mais à environ 40 000 années-lumière du centre, il se déforme. Ses bords s’inclinent, comme le rebord d’un chapeau mou qui s’affaisserait d’un côté. Cette inclinaison étale le gaz sur une épaisseur bien plus grande, faisant chuter sa densité en dessous du seuil à partir duquel les atomes pourraient s’attirer mutuellement et engendrer l’effondrement de gaz qui précède toute naissance stellaire.
Enfin, le troisième et dernier phénomène est d’ordre thermodynamique : dans ces régions périphériques, le gaz est naturellement beaucoup plus raréfié qu’au cœur de la galaxie. Sa densité étant trop faible, il rayonne trop peu pour refroidir assez rapidement. Sans ce refroidissement – première étape indispensable à la formation d’une étoile – la pression thermique du gaz l’emporte toujours sur sa propre gravité. Il ne s’effondre pas sur lui-même, et n’atteint jamais le seuil de température et de pression auquel la fusion nucléaire pourrait démarrer.
Des résultats qui confirment, par ailleurs, l’appartenance de la Voie lactée aux galaxies à disque de type II : celles dont la densité stellaire décroît régulièrement depuis le centre, sans remontée vers la périphérie. On estime que 60 % des galaxies spirales de l’Univers connu en font partie ; la nôtre est donc dans les normes. Si nous le savions depuis les années 2010, notamment grâce aux observations du satellite Gaia de l’ESA, c’était sans pouvoir situer précisément où s’arrêtait le disque de formation stellaire, ni comprendre les grands mécanismes qui maintiennent cette limite en place. Même si notre galaxie reste moins connue en comparaison à ses voisines plus lointaines, nous pouvons donc affirmer que nous en savons un peu plus sur l’étendue réelle de notre foyer cosmique.
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