La découverte de DESI retrace le parcours d'une étoile jusqu'au trou noir de la Voie lactée

Paria galactique : une découverte de DESI fait remonter une étoile à grande vitesse jusqu'au trou noir central de la Voie lactée

Au plus profond du cœur de la Voie lactée, une danse gravitationnelle entre un système d'étoiles binaires et le trou noir supermassif Sagittarius A* (Sgr A*) s'est achevée par une expulsion violente. Des millions d'années plus tard, des astronomes ont identifié la survivante de cette rencontre : une réfugiée stellaire nommée DESI-312. En s'appuyant sur les dernières données du Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), une équipe de chercheurs a confirmé que cette étoile fuit le centre galactique à une vitesse stupéfiante de près de 700 kilomètres par seconde. Cette découverte, détaillée dans une nouvelle étude dirigée par Manuel Cavieres et une équipe internationale d'astrophysiciens, offre une fenêtre rare et dégagée sur la composition chimique de la région la plus inaccessible de notre galaxie.

La découverte de DESI-312

L'identification de DESI-312 représente une étape importante dans le domaine de l'« archéologie galactique ». Les étoiles à hypervitesse (HVS) sont exceptionnellement rares ; malgré les milliards d'étoiles que compte la Voie lactée, seules quelques dizaines de candidates ont été identifiées, et moins encore ont été formellement liées au centre galactique. La découverte a été rendue possible par la première publication de données (DR1) du relevé DESI, qui fournit une spectroscopie de haute qualité pour des millions d'objets célestes. En combinant les données spectroscopiques de DESI avec l'astrométrie de précision de la mission Gaia, les chercheurs ont pu cartographier une trajectoire complète dans l'espace des phases en six dimensions pour l'étoile, incluant sa position et sa vitesse en 3D.

L'étude, rédigée par Manuel Cavieres, Sergey E. Koposov, Elena Maria Rossi et leurs collègues de l'Université de Leyde, de l'Université d'Édimbourg et de l'Université de Cambridge, souligne la précision requise pour une telle découverte. « En utilisant la spectroscopie de DESI et l'astrométrie de Gaia, nous avons effectué une recherche en six dimensions des HVS et identifié une candidate convaincante... dont la trajectoire liée peut être retracée avec certitude jusqu'au centre galactique », notent les chercheurs. Contrairement à de nombreuses autres étoiles à grande vitesse qui se déplacent de manière aléatoire dans le halo, le chemin de DESI-312 pointe comme une flèche vers le voisinage immédiat de Sgr A*, le trou noir de quatre millions de masses solaires situé au cœur de notre galaxie.

Le mécanisme de Hills : une fronde cosmique

Le mécanisme à l'origine de telles vitesses extrêmes est connu sous le nom de mécanisme de Hills, proposé par l'astronome Jack Hills en 1988. Le processus se produit lorsqu'un système stellaire binaire — deux étoiles en orbite l'une autour de l'autre — s'aventure trop près d'un trou noir supermassif. Les immenses forces de marée du trou noir peuvent déchirer la binaire. Une étoile est capturée sur une orbite serrée autour du trou noir, tandis que sa compagne est projetée vers l'extérieur à des vitesses incroyables, dépassant souvent la vitesse de libération de la galaxie.

Pour DESI-312, les chercheurs ont calculé une vitesse d'éjection de 698 (+35/−27) km/s. Cette vitesse est cohérente avec les prédictions du mécanisme de Hills, confirmant que l'étoile a probablement été « expulsée » par Sgr A*. Bien que certaines étoiles puissent atteindre des vitesses élevées lors d'explosions de supernovas dans des systèmes binaires ou lors de rencontres dynamiques dans des amas stellaires denses, ces étoiles « fugitives » atteignent rarement les vitesses observées chez DESI-312. Les données suggèrent que seule une rencontre avec un trou noir supermassif pourrait fournir l'énergie cinétique nécessaire pour propulser une étoile de masse solaire dans le halo interne à une telle allure.

Secrets chimiques du cœur galactique

L'un des aspects les plus frappants de DESI-312 est sa signature chimique. L'analyse spectroscopique a révélé que l'étoile possède une « métallicité supersolaire », avec un rapport fer-hydrogène ([Fe/H]) de 0,27 ± 0,09. Cela signifie que l'étoile est nettement plus riche en éléments lourds que notre propre Soleil. Cette composition chimique est une preuve cruciale concernant son origine. La plupart des étoiles trouvées dans le halo galactique — les franges extérieures où réside actuellement DESI-312 — sont anciennes et « pauvres en métaux », s'étant formées tôt dans l'histoire de l'univers.

Une étoile à haute métallicité comme DESI-312 est une anomalie dans le halo, mais parfaitement à sa place dans le centre galactique. Le cœur de la Voie lactée est une région de formation stellaire intense et d'enrichissement chimique. En transportant cette empreinte chimique avec elle, DESI-312 agit comme une « messagère stellaire ». Comme le centre galactique est fortement obscurci par d'épais nuages de gaz et de poussière, il est notoirement difficile pour les astronomes de mesurer les abondances chimiques des étoiles qui s'y trouvent. DESI-312, ayant échappé à ce linceul de poussière, offre une opportunité rare d'étudier la composition de la galaxie intérieure depuis le point de vue beaucoup plus dégagé du halo.

Cartographie de la voie d'évacuation

Dans leur analyse, Cavieres et son équipe ont méticuleusement écarté d'autres lieux de naissance possibles pour l'étoile. Ils ont examiné si DESI-312 aurait pu être éjectée du disque galactique ou d'un amas globulaire. Cependant, l'énergie orbitale de l'étoile et son profil chimique spécifique ne correspondaient pas à ces scénarios. Les étoiles éjectées du disque ont généralement des vitesses plus faibles et des rapports d'éléments différents, tandis que les amas globulaires sont généralement composés de populations beaucoup plus anciennes et pauvres en métaux.

L'analyse de la trajectoire montre que DESI-312 se trouve actuellement dans le « halo interne », ce qui signifie qu'elle est toujours liée gravitationnellement à la Voie lactée, bien que sur une orbite très allongée. Cela en fait une étoile à hypervitesse « liée ». Bien qu'elle ne quitte peut-être pas entièrement la galaxie, son voyage depuis les régions sub-parsec autour de Sgr A* jusqu'à sa position actuelle à des milliers d'années-lumière permet aux scientifiques de sonder le « potentiel galactique » — la distribution de la masse, y compris la matière noire, à travers la Voie lactée. Le chemin emprunté par une étoile est dicté par la gravité de tout ce qu'elle croise, faisant de DESI-312 une sonde à grande vitesse de l'architecture invisible de la galaxie.

Une nouvelle classe d'étoiles à hypervitesse

Historiquement, la plupart des HVS identifiées étaient des étoiles bleues massives et chaudes (étoiles de type A et B). Ces étoiles ont une durée de vie courte, ce qui fournit une « horloge » pour leur temps de trajet, mais rend l'analyse atmosphérique détaillée difficile. DESI-312 est différente. Il s'agit d'une étoile d'environ une masse solaire, actuellement sur la séquence principale ou au début de la branche des sous-géantes. En tant qu'étoile de type solaire, son atmosphère est plus stable et ses raies spectrales sont plus faciles à interpréter, permettant une décomposition beaucoup plus détaillée de ses éléments chimiques.

Cette découverte souligne la puissance croissante du relevé DESI. Alors que la mission Gaia a révolutionné notre compréhension des positions et des mouvements stellaires, Gaia seule manque souvent de la profondeur spectroscopique nécessaire pour déterminer la chimie d'une étoile ou la vitesse radiale précise pour les objets plus faibles. DESI comble cette lacune, observant des millions d'étoiles et fournissant la « troisième dimension » du mouvement et la « quatrième dimension » de l'histoire chimique. À mesure que la Collaboration DESI continue de publier des données, les astronomes s'attendent à trouver davantage de ces « parias galactiques », chacun racontant une histoire différente de l'histoire violente du cœur de notre galaxie.

L'avenir de l'archéologie galactique

La découverte de DESI-312 n'est que le début de ce que les chercheurs espèrent être un âge d'or pour la recherche sur les HVS. Avec l'avènement des relevés spectroscopiques multi-objets comme DESI, WEAVE et 4MOST, le recensement des étoiles à grande vitesse devrait passer d'une poignée d'anomalies à une population statistiquement significative. Chaque nouvelle découverte aide à contraindre le taux auquel Sgr A* disloque les systèmes binaires, ce qui, en retour, éclaire notre compréhension de la densité des étoiles et des trous noirs dans le centre galactique.

De plus, l'étude des taux d'éjection d'étoiles comme DESI-312 fournit des données cruciales pour prédire d'autres phénomènes, tels que les événements de rupture par effet de marée (TDE) — où une étoile est déchiquetée par un trou noir — et l'émission d'ondes gravitationnelles provenant de « spirales de rapport de masse extrême » (EMRI). Comme le concluent Sergey E. Koposov et son équipe, ces fugitives stellaires sont plus que de simples curiosités ; ce sont des outils essentiels pour comprendre les environnements les plus extrêmes de notre univers. Pour l'instant, DESI-312 poursuit sa route solitaire à travers le halo, témoin silencieux d'une rencontre gravitationnelle survenue il y a des millions d'années au cœur même de la Voie lactée.