Formation et évolution de la Voie lactée
Le disque de la Voie lactée est un vaste ensemble d’étoiles en rotation, aplati comme une crêpe, dont les bras spiraux s’étendent depuis le centre. Il contient la majorité des étoiles de la Galaxie, y compris le Soleil, et tourne à une vitesse supérieure à 220 kilomètres par seconde. Depuis longtemps, les astronomes cherchent à déterminer quand ce disque s’est formé, c’est-à-dire le moment où les étoiles ont commencé à tourner autour du centre galactique de manière cohérente. Cette étape marque ce que les scientifiques appellent la « phase de rotation initiale » de la Galaxie.
Dans l’Univers, une galaxie ne se forme pas de manière isolée : elle interagit en permanence avec le milieu intergalactique, qui lui fournit matière et énergie. De même, la Voie lactée telle que nous la connaissons aujourd’hui est le fruit d’un long processus, s’étalant sur plusieurs milliards d’années, marqué par des fusions successives avec des objets de tailles variées, dont certaines ont laissé des traces observables encore aujourd’hui. En effet, sous l’effet des forces de marée, les galaxies qui entrent en collision avec la Voie lactée sont progressivement désintégrées, cédant leurs étoiles à notre Galaxie (cf. Figure 1). Ces étoiles possèdent des propriétés — composition chimique, âge et mouvements — différentes de celles formées sur place. L’étude des populations stellaires, présentes dans les amas globulaires, le halo et le disque galactique, permet ainsi aux astronomes de reconstituer le passé tumultueux de la Voie lactée.
Il y a plusieurs décennies, les scientifiques ont émis l’hypothèse d’une collision majeure entre la Voie lactée en formation et une galaxie naine appelée Gaia-Sausage-Enceladus. Bien que sa masse n’ait représenté qu’entre un dixième et un quart de celle de la Voie lactée primitive, cette dernière aurait joué un rôle déterminant dans la formation de la Galaxie telle que nous la connaissons aujourd’hui. Cette hypothèse a été confirmée en 2018 grâce aux données de la mission Gaia, qui ont révélé une importante population d’étoiles aux orbites et aux propriétés chimiques très différentes. Ces caractéristiques ne s’expliquent que par une fusion massive survenue il y a environ 10 milliards d’années, qui a fortement perturbé leurs trajectoires. Une partie de ces étoiles constitue aujourd’hui le halo galactique. Cet événement est désormais connu sous le nom de fusion Gaia-Sausage-Enceladus (GSE).
Remonter le temps grâce aux simulations
| Figure 2 : Simulation de l’évolution d’une galaxie spirale semblable à la Voie lactée sur 13,5 milliards d’années.
Au centre, une galaxie comparable à ce que la Voie lactée a pu être dans le passé, en interaction continue avec des galaxies plus petites qui fusionnent progressivement avec elle. Vers 11 milliards d’années, une galaxie massive, arrivant par la gauche, entre en collision avec la galaxie principale, perturbant son disque stellaire et influençant durablement son évolution. La matière noire est représentée en gris, tandis que le gaz cosmique est coloré. Les couleurs indiquent la température du gaz : les régions les plus froides apparaissent en bleu et les plus chaudes en rouge. Crédits : Matt Orkney & Chervin Laporte, MNRAS (2026). |
Les observations de Gaia donnent une image actuelle de la Voie lactée et fournissent des indices sur son passé, mais elles ne permettent pas de retracer précisément l’évolution de notre Galaxie, tant les scénarios possibles sont nombreux. Pour mieux comprendre son histoire, les astronomes ont recours à des simulations numériques, qui reproduisent différents scénarios d’évolution en s’appuyant sur les lois physiques de la formation galactique. Dans cette étude, les chercheurs se sont appuyés sur les simulations cosmologiques Auriga, un ensemble de modèles numériques suivant la formation et l’évolution de 30 galaxies semblables à la Voie lactée, depuis 300 000 ans après le Big Bang jusqu’à aujourd’hui, soit sur 13,5 milliards d’années (cf. Figure 2). Ces simulations reproduisent les principaux phénomènes physiques à l’œuvre dans les galaxies, comme la gravité, les mouvements du gaz, la formation des étoiles ou encore leur enrichissement chimique, afin de retracer leur évolution au cours de l’histoire de l’Univers. Les chercheurs ont ainsi pu tester de manière générale leur méthode de datation des collisions galactiques majeures avant de l’appliquer au cas de la Voie lactée.
Les simulations ont mis en évidence plusieurs résultats novateurs. Tout d’abord, elles montrent que la phase de rotation initiale — c’est-à-dire le moment où le disque galactique commence à tourner — débute souvent bien plus tôt qu’on ne le pensait. Toutefois, ce disque peut être partiellement ou totalement détruit lors de collisions galactiques majeures. Ainsi, le moment où le disque de la Voie lactée se met à tourner ne correspondrait pas nécessairement à sa première formation, mais plutôt à la phase de reconstruction qui suit une fusion destructrice.
Le second résultat concerne la datation de la fusion Gaia-Sausage-Enceladus. Les chercheurs estiment qu’elle s’est probablement produite il y a environ 11 milliards d’années, soit plus tôt que ne le suggéraient de nombreuses estimations précédentes. Cette période coïncide d’ailleurs avec une phase d’intense formation d’amas stellaires dans la Voie lactée, que les chercheurs ont nommée « Tainá » dans leur article. De tels sursauts de formation stellaire constituent une conséquence naturelle des collisions galactiques, qui compriment le gaz et déclenchent une activité accrue.
Les modèles de la fusion Gaia-Sausage-Enceladus prévoient qu’un véritable feu d’artifice galactique a dû suivre l’impact, stimulant la formation d’étoiles et favorisant la formation d’amas globulaires. C’est la première fois que ce lien est établi », explique Chervin F. P. Laporte, chercheur au CNRS et co-auteur de l’étude. « Ces travaux soulignent le lien essentiel entre la structure galactique et les collisions anciennes, deux éléments qu’il est indispensable de comprendre conjointement pour appréhender l’histoire de notre Galaxie.
Cette recherche met en lumière le lien fondamental entre la structure galactique et les collisions anciennes, deux phénomènes qu’il faut appréhender conjointement pour comprendre l’histoire de notre Galaxie, ajoute Matthew D. A. Orkney, chercheur à l’ICCUB et à l’IEEC et auteur principal de l’étude.
L’Univers lointain comme laboratoire de l’évolution galactique
Si les scientifiques ne peuvent pas remonter le temps pour observer directement les débuts de la Voie lactée, ils peuvent néanmoins étudier la formation de galaxies similaires dans l’Univers lointain grâce aux observations du télescope spatial James Webb (JWST) et du réseau ALMA (cf. Figure 3). En effet, observer des galaxies à de grandes distances revient à remonter dans le temps : la lumière qu’elles émettent met des milliards d’années à nous parvenir. Ainsi, plus une galaxie est éloignée, plus elle est observée à une époque ancienne de l’Univers, et donc à un stade précoce de son évolution. En comparant ces différentes étapes, les astronomes peuvent reconstituer et mieux comprendre l’évolution d’une galaxie comme la nôtre.
