Le halo anémique de la galaxie Messier 101

par Thierno Ousmane BA | Oct 4, 2020 | Actualités

De nombreux amateurs ont le plaisir d’observer la galaxie M101 dans la Grande Ourse. Située à 23 millions d’années-lumière de la Terre, vue de face, elle est environ 10 fois plus massive que la nôtre, pour un disque presque 2 fois plus grand, de 170 000 années lumière (a.l.). Malgré sa masse plus élevée, M101 présente de nombreuses similitudes de forme, de populations d’étoiles et d’amas globulaires avec notre galaxie, la Voie lactée. Cependant, le modèle cosmologique standard, où les grandes galaxies sont construites par accrétion de galaxies naines, prévoient que les bulbes et les bras spiraux des galaxies géantes comme M101 soient entourées d’un halo riche en étoiles.

Les alentours de la galaxie M101 imagés par le Dragonfly Nearby Galaxy Survey, et au centre, un image en couleurs du Digital Sky Survey des régions brillantes de la galaxie. Les cercles en pointillés indiquent les distances de 24 000 et 48 000 parsecs (1 parsec = 3.26 années-lumière) du centre de la galaxie. Les carrés F1 à F9 sont les régions du halo de M101 où les étoiles ont été comptées, à l’aide notamment de mesures du télescope spatial Hubble.

Toutes les observations des grandes galaxies ne confirment pas cette prédiction. Six astronomes ont exploité des images du télescope spatial Hubble pour observer la répartition des étoiles de M101. À des distances comprises entre 120 000 et 190 000 a.l., les observations révèlent une population semblable à celle des amas globulaire de faible métallicité (pauvres en éléments atomiques lourds). Et puis au-delà, dans le halo, la densité d’étoiles chute terriblement. Ils estiment que le halo contiendrait 0,2 % de la masse totale des étoiles dans la galaxie. C’est très peu en comparaison des modèles de grandes galaxies, et aussi en comparaison de plusieurs galaxies observées auparavant. Les auteurs en déduisent que M101 possède un halo « anémique ».  Cependant, M101 n’est pas la seule dans ce cas. Une galaxie que nous connaissons bien l’est aussi : la nôtre ! Mais il est étonnant qu’une galaxie grande comme M101 partage cette caractéristique avec la nôtre, qui est plus petite. Les simulations numériques des cosmologistes montrent que dans le scénario où les grandes galaxies grandissent par accrétion de galaxies naines, les halos ont principalement été alimentés en étoiles par les plus grandes d’entre-elles. Le halo peu dense et de faible métallicité de M101 montreraient alors que cette galaxie est parmi celles de l’Univers local ayant eu l’histoire la plus tranquille.

Fabrice Mottez, Société Astronomique de France

L’origine d’Oumumua, l’astéroïde qui venait d’ailleurs

par Thierno Ousmane BA | Oct 4, 2020 | Actualités

Selon une récente étude, Oumuamua, le premier astéroïde extrasolaire à avoir été détecté, serait issu de la dislocation d’une comète passant au plus près de son étoile hôte.

Figure 1. La trajectoire d’Oumumua lors de sa traversée du Système solaire. © Wikimedia/CC/Toumuen.

Oumuamua est un astéroïde un peu particulier. Détecté en Octobre 2017, peu après son passage au périhélie, cet objet avait d’abord été pris pour une comète. L’absence de coma avait ensuite conduit à le reclasser dans la catégorie des astéroïdes, mais sa trajectoire montre qu’il n’est pas lié gravitationnellement au Soleil. Il ne tourne pas autour du Soleil, et n’appartient donc pas du Système solaire. Oumuamua est en effet un objet extrasolaire, le premier astéroïde de ce type à avoir été découvert. Il ne fait que traverser le Système solaire (fig.1). En soi, cela suffit à en faire un astéroïde très particulier. Mais les astronomes se sont vite rendu compte qu’il possédait d’autres propriétés peu communes. Sa forme est très allongée, un peu comme un cigare, et il tourne sur lui-même avec une période de quelques heures. Ses propriétés spectroscopiques montrent que sa surface est rocheuse et très appauvrie en éléments volatils (éléments qui se trouvent sous forment gazeuse aux basses températures). Enfin sa vitesse propre ne peut pas s’expliquer uniquement à partir de l’attraction gravitationnelle exercée par le Soleil et les planètes et nécessite un effet supplémentaire, ce qui a conduit certains à proposer une qu’Oumuama était peut-être un vaisseau spatial extra-terrestre !

L’origine extrasolaire d’Oumuamua ne pose pas de problème particulier. Un objet peut être éjecté de son système stellaire s’il passe très près de son étoile hôte ou à proximité d’une planète géante. En revanche, son allongement extrême est très inhabituel et ne se retrouve dans aucun corps connu du Système solaire. De plus, pour avoir une chance raisonnable d’être éjecté de son système d’origine, Oumuamua devait se trouver initialement sur une orbite très elliptique et provenir des confins de ce système, autrement dit d’une région analogue au nuage d’Oort, la réserve cométaire du Système solaire. Les objets formés à de telles distances de leur étoile sont naturellement riches en eau et en éléments volatiles. Or, comme on l’a dit, Oumuamua est un objet sec et dépourvu d’activité cométaire. Une étude publiée récemment dans la revue Nature Astronomy propose un scénario astucieux permettant de résoudre ces problèmes [1].

Dislocation et échauffement

Selon Yun Zhang, chercheur au laboratoire Lagrange de l’Université Côte d’Azur, la forme d’Oumuamua peut en effet s’expliquer si l’on suppose que cet objet est le résidu d’une comète s’étant disloquée lors de son passage au périastre de son étoile d’origine, sous l’effet des forces de marée. Cette conclusion découle d’une série de calculs simulant le passage de petits corps de 100 mètres de diamètre à proximité d’une étoile de la séquence principale de masse et de dimension égales à la moitié de celles du Soleil [2]. Ce choix d’étoile hôte n’est pas tout-à-fait anodin. Les étoiles de faible masse sont plus denses que les étoiles plus massives, si bien que les effets de marée y sont effectifs à de plus grandes distances, relativement au rayon de l’étoile. Cela augmente de facto les chances qu’un petit objet se disloque lors de son passage au périastre. Par ailleurs, la température de surface de ce type d’étoile est plus faible (3900 K pour une étoile de type K0V) que celle du Soleil (5800 K), ce qui aura son importance par la suite. Enfin, on pourra noter que les étoiles de ce type sont de 3 à 5 fois plus fréquentes que les étoiles de type solaire. Les petits corps sont, quant à eux, supposés être des agrégats de roches maintenus ensemble par la force de gravité (ce que les astronomes désignent par le terme anglais « rubble-pile » (tas de gravats), circulant sur des orbites très excentriques, avec des demi-grand axes compris entre 2500 et 5300 unités astronomiques (U.A.). Puisqu’ils proviennent des confins de leur système stellaire, ils sont aussi supposés riches en eau et en volatiles.

Dans ces conditions, les simulations numériques montrent que, lorsqu’un agrégat passe à une distance suffisamment petite de son étoile, il tourne sur lui-même de plus en plus vite, puis se déforme avant de se disloquer en de nombreux petits fragments. Le nombre et la forme de ces fragments dépend de la distance minimale d’approche (fig.2). Plus cette dernière est petite, et plus les forces de marée sont intenses, ce qui conduit à un plus grand nombre de fragments et à des formes plus allongées. Les auteurs de cette étude se sont aussi penchés sur les effets thermiques que pourraient provoquer un passage très près de l’étoile hôte. Les calculs montrent que les fragments issus de la dislocation du corps parent subissent un échauffement très intense qui conduit, dans un premier temps, à la fusion des régions superficielles de l’agrégat, puis à la re-condensation de ce matériau selon un processus de frittage [3]. Il se crée ainsi une fine croûte rocheuse et sèche autour de l’agrégat, ce qui a deux conséquences importantes. D’une part, cela augmente la cohésion des fragments qui peuvent prendre et maintenir des formes très allongées, jusqu’à un rapport longueur/largeur de 10. D’autre part, cela assèche la surface et interdit la sublimation de éléments volatils qui caractérise normalement les comètes. Il est ainsi possible d’expliquer la forme inhabituelle d’Oumuamua (fig.3), et la raison pour laquelle il ne présente pas d’activité cométaire. Enfin, dernier détail capital, les simulations de Yun Zhang montrent que certains fragments parviennent bien à échapper à l’attraction de leur étoile d’origine, devenant ainsi des objets interstellaires.

Figure 2. Évolution des agrégats (en beige) pour trois trajectoires différentes avec des distances minimales d’approche, dp, de 400 000, 500 000, et 600 000 km. Pour dp = 600 000 km, les forces de marée ne sont pas suffisamment intenses pour disloquer l’agrégat. Les agrégats circulant sur orbites plus rapprochées se disloquent, et l’étalement et la longueur des fragments est d’autant plus important que la distance minimale d’approche est petite. Sur la dernière scène (en haut à droite), les fragments représentés en bleu restent liés au système stellaire, et les fragments représentés en rouge s’en échappent. Le graphique en haut à gauche représente la période de rotation des fragments obtenus en fonction de leur allongement pour différentes distance minimales d’approche (représentée par des symboles différents, de 400000 km pour les cercles à 600 000 km pour les carrés). La taille des symboles indique la longueur des fragments, de 50 à 150 m. © Zhang et Lin, 2020.

Reste toutefois à expliquer l’accélération d’origine non-gravitationnelle subi par Oumuamua lors de sa traversée du Système solaire, propriété qui avait été mise en avant pour étayer l’hypothèse qu’Oumuamua était un vaisseau extraterrestre. Le scénario développé par Yun Zhang et Doug Lin propose une solution disons, plus classique, et qui repose de nouveau sur l’idée que l’étoile d’origine d’Oumuamua est moins massive, et donc moins chaude et moins lumineuse, que le Soleil. Dans ces conditions, le passage d’un petit objet à proximité de son étoile hôte s’accompagne essentiellement d’un appauvrissement en monoxyde de carbone (CO). En revanche, d’autres volatiles tels que l’eau (H₂O) et le dioxyde de carbone (CO₂) peuvent, grâce à leurs températures de sublimation plus élevées, se maintenir sous forme condensée à faible profondeur. Ainsi, les fragments issus de la dislocation d’un tel objet et éjectés de leur système stellaire, comme c’est peut-être le cas d’Oumuamua, contiennent sans doute des éléments volatils à des profondeurs de quelques dizaines de centimètres. Lors d’un passage près d’une étoile de type solaire, plus chaude et plus lumineuse, ces éléments peuvent se sublimer à leur tour et migrer vers la surface en y ramenant un peu de matière organique. Cela produit un léger dégazage pouvant expliquer les propriétés spectroscopiques d’Oumuamua et l’accélération d’origine non-gravitationnelle qu’il subie.

Figure 3. (A) Vue d’artiste d’Oumuamua. (B) Fragment obtenu par simulation numérique de la dislocation d’un objet de type cométaire passant à proximité de son étoile. Le code de couleur représente la vitesse de rotation de l’agrégat, du bleu (vitesse nulle) au rouge (vitesse la plus élevée). © ESO/M. Kornmesser.

L’origine des petits objets interstellaires

L’étude de Yun Zhang et Doug Lin montre que les comètes à longue période peuvent, suite à des processus de fragmentation par effet de marée et d’éjection de leur système stellaire, constituer une source de petits objets interstellaires. Ces comètes proviennent initialement du nuage d’Oort de leur étoile hôte, immense réservoir de petits corps glacés situé aux confins de leur système stellaire [4]. Chaque année, à la faveur de perturbations gravitationnelles de différentes origines (marées galactiques, passage à proximité d’un autre système stellaire, influence de planètes géantes), quelques-uns de ces objets sont insérés sur des orbites très elliptiques qui les amènent au plus proche de leur étoile. D’autres sources sont bien sûr envisageables, notamment les disques de débris qui sont présents autour de certaines étoiles (par exemple, la ceinture de Kuiper de notre Système solaire), ainsi que des planètes de type super-Terre ou mini-Neptune qui, si elles se déplacent sur des orbites très elliptiques peuvent, elles-aussi, être amenées à passer très proche de leur étoile et à se disloquer sous l’effet des forces de marée.

Alors qu’Oumuamua s’éloigne du Soleil (il se trouve actuellement à environ 15 U.A.), un autre objet extrasolaire, 2l/Borisov, a été détecté fin août 2019. La composition de 2l/Borisov, déduite de mesures spectrales, est atypique, car elle très différente de celles des comètes à longue périodes  du Système solaire. Cette nouvelle découverte laisse à penser que la traversée du Système solaire par de petits objets interstellaires n’est pas un phénomène rare, ce que sous-entend aussi l’étude de Yun Zhang. Avec l’accroissement de la puissance des moyens d’observation, cela ouvre la perspective fascinante d’étudier, dans un future proche, plus en détails ces objets extrasolaires qui ont voyagé des millions d’années dans l’espace interstellaire avant de s’approche de notre système solaire.

[1] Zyang, Y., et D.N.C.. Lin (2020), Tidal fragmentation as the origin of 1l/2017U1 (‘Oumuamua), Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-020-1065-8.

[2] Il s’agit donc d’une étoile de type K, ou naine orange, de 350000 km de rayon.

[3] Le frittage est un procédé au cours duquel des grains chauffés se soudent les uns aux autres, ce qui permet de consolider ou de donner de la cohésion à un objet. La cuisson des céramiques en est un exemple.

[4] Dans le cas du Système solaire, la frontière interne de ce nuage se situerait au moins à 20000 U.A.

Frédéric Deschamps – IESAS, Taipei, Taiwan