Le halo de la Voie lactée contient un grand nombre d’étoiles aux orbites inhabituelles, dont beaucoup auraient été englouties par notre galaxie lors d’un événement que les astronomes appellent la «dernière grande fusion». Comme son nom l’indique, il s’agit de la dernière fois que notre galaxie a connu une collision importante avec une autre galaxie – vraisemblablement une galaxie naine massive qui a inondé la Voie lactée d’étoiles passant très près du centre de notre galaxie.
Notre galaxie est entrée en collision avec de nombreuses autres au cours de son histoire. Le télescope spatial Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA) montre désormais que la plus récente de ces collisions s’est produite des milliards d’années plus tard qu’on ne le pensait auparavant.
La Voie lactée s’est étendue au fil du temps à mesure que d’autres galaxies s’approchaient de la nôtre, entraient en collision avec elle, étaient déchirées ou absorbées. Chaque collision a engendré des changements qui se font encore sentir dans diverses familles d’étoiles, influençant leur mouvement et leur comportement dans l’espace.
L’un des objectifs de Gaia est de reconstituer l’histoire de notre galaxie en étudiant ces «distorsions» – et elle y parvient en déterminant avec précision les positions et les mouvements de plus de 100 000 étoiles proches de la nôtre, ce qui ne représente qu’une infime fraction des quelque deux milliards de sources qu’elle observe, a annoncé le service de presse de l’Agence spatiale européenne le 6 juin 2024.
«Avec l’âge, les rides se font plus présentes, mais nos travaux montrent que la Voie lactée fonctionne à l’inverse. C’est une sorte de Benjamin Button cosmique, qui s’affine avec le temps», explique Thomas Donlon, de l’Institut polytechnique Rensselaer et de l’Université d’Alabama à Huntsville, aux États-Unis, principal auteur de la nouvelle étude Gaia. «En étudiant la façon dont ces rides s’estompent, nous pouvons remonter à la date du dernier effondrement majeur de la Voie lactée – et il s’avère que cela s’est produit des milliards d’années plus tard que nous le pensions.»
Ces plis galactiques ont été découverts par le télescope Gaia seulement en 2018. Cette étude a, pour la première fois, déterminé avec précision la chronologie de la collision à l’origine de ces plis en comparant les observations à des modèles cosmologiques. Les détails de cette étude sont disponibles dans l’article de Donlon et al. (2023), «Les débris de la « dernière grande fusion » sont dynamiquement jeunes», paru dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Le halo de la Voie lactée contient un grand nombre d’étoiles aux orbites inhabituelles, dont beaucoup auraient été englouties par notre galaxie lors d’un événement que les astronomes appellent la «dernière grande fusion». Comme son nom l’indique, il s’agit de la dernière fois que notre galaxie a connu une collision importante avec une autre galaxie – vraisemblablement une galaxie naine massive qui a inondé la Voie lactée d’étoiles passant très près du centre de notre galaxie.
Les scientifiques ont daté cette fusion entre huit et onze milliards d’années, alors que la Voie lactée était encore jeune, et elle est connue sous le nom de fusion Gaia-Saucisse-Encelade (GSE). Cependant, les données de Gaia, publiées dans le cadre de la troisième vague de données du télescope en 2022, suggèrent désormais qu’une autre fusion pourrait être à l’origine de ces mouvements stellaires inhabituels.
«Pour que les plis stellaires soient si clairement visibles dans les données de Gaia, ils doivent être apparus sur Terre il y a moins de trois milliards d’années, soit au moins cinq milliards d’années plus tard qu’on ne le pensait», ajoute Heidi Jo Newberg, co-auteure de l’étude et chercheuse à l’Institut polytechnique Rensselaer. «De nouveaux plis stellaires se forment à chaque fois que des étoiles traversent le centre de la Voie lactée. S’ils étaient apparus sur Terre il y a huit milliards d’années, ils seraient si nombreux et si proches les uns des autres que nous ne les verrions plus comme des objets distincts.»
La Voie lactée s’est étendue au fil du temps suite aux collisions et à l’absorption d’autres galaxies. Chaque collision a engendré des plis qui se font encore sentir aujourd’hui dans différentes familles d’étoiles, influençant leur mouvement et leur comportement dans l’espace. Le télescope spatial Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA) vise à reconstituer l’histoire de notre galaxie en étudiant ces plis, et de nouvelles recherches issues de cette mission suggèrent que la dernière de ces collisions galactiques s’est produite des milliards d’années plus tard qu’on ne le pensait. Cette animation illustre la fusion, qui a débuté il y a environ 9,7 milliards d’années et se poursuit presque jusqu’à nos jours. La Voie lactée spirale est visible au centre de l’image, et deux galaxies satellites importantes (les Nuages de Magellan) apparaissent en bas à droite. L’image montre un nuage d’étoiles rouges se déplaçant dans le cadre: il s’agit d’une galaxie naine entrée en collision avec la Voie lactée. La collision a déchiré la galaxie. Il y a environ 7 milliards d’années, l’animation, après agrandissement, montre un «nuage» de nouvelles étoiles attirées par la galaxie naine en collision et absorbées par la Voie lactée. Ces étoiles créent un «halo» autour de notre galaxie – une vaste composante stellaire s’étendant dans toutes les directions (ce halo est visuellement accentué dans cette simulation, mais en réalité, il est très faible comparé au disque galactique). Peu après la collision, l’intérieur de la galaxie apparaît irrégulier et plissé, mais avec le temps, il devient lisse. Gaia observe ces plis pour retracer et reconstituer l’histoire de la Voie lactée. Ce télescope spatial est idéalement placé pour étudier les innombrables étoiles de notre ciel et a collecté un ensemble de données inégalé sur les positions, les distances et les mouvements d’environ 1,5 milliard d’étoiles. Une nouvelle découverte de Gaia montre que les plis que nous observons dans la Voie lactée résultent probablement d’une collision entre une galaxie naine et la Voie lactée il y a environ 2,7 milliards d’années – autrement dit, la majeure partie de la Voie lactée n’a fusionné avec nous qu’au cours des derniers milliards d’années, selon l’ESA.
Ces découvertes suggèrent que ces étoiles ne se sont pas formées par une fusion ancienne d’étoiles géantes, mais par un événement plus récent appelé la fusion radiale de la Vierge, qui s’est produit il y a moins de trois milliards d’années.
Il existe des preuves qu’une fusion d’étoiles géantes s’est produite dans un passé lointain de la Voie lactée. Cependant, des études récentes remettent en question la nécessité d’une fusion ancienne et de grande ampleur pour expliquer les propriétés de la Voie lactée telle que nous la connaissons aujourd’hui, et se demandent si toutes les étoiles initialement associées à cette fusion géante proviennent réellement d’un même événement.
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En 2020, Thomas a dirigé une étude qui a permis d’identifier des plis stellaires dans la Voie lactée et de les comparer à des simulations de diverses fusions possibles. «Grâce à ces simulations de fusions, nous pouvons observer comment la forme et le nombre de plis évoluent au fil du temps. Cela nous permet de déterminer la période où la simulation correspond le mieux aux données réelles de Gaia concernant la Voie lactée aujourd’hui – une méthode que nous avons également utilisée dans cette nouvelle étude», explique Thomas. «Nous avons ainsi conclu que ces plis ont probablement été causés par une collision entre une galaxie naine et la Voie lactée il y a environ 2,7 milliards d’années. Nous avons nommé cet événement la fusion radiale de la Vierge.»
Depuis, Thomas et ses collègues ont poursuivi l’étude de cette fusion, affinant progressivement l’hypothèse selon laquelle nombre des étoiles et débris aux mouvements étranges observés dans le halo interne de la Voie lactée proviennent d’une collision galactique bien plus récente que la fusion GSE. Ils ont également établi que les étoiles initialement associées à la fusion GSE pourraient être issues de fusions multiples, dont certaines remontent à des temps anciens.
«L’histoire de la Voie lactée est actuellement en constante réécriture, grâce notamment aux nouvelles données recueillies par le satellite Gaia», ajoute Thomas. «Notre compréhension du passé de la Voie lactée a considérablement évolué, même par rapport à il y a seulement dix ans, et je pense que notre compréhension de ces fusions continuera de progresser rapidement.»
«Ce résultat – selon lequel une partie importante de la Voie lactée a fusionné avec nous au cours des derniers milliards d’années seulement – diffère considérablement des hypothèses formulées jusqu’alors par les astronomes. De nombreux modèles et théories populaires sur la formation de la Voie lactée supposaient qu’une collision frontale récente avec une galaxie naine d’une telle masse serait un événement extrêmement rare.»
Il est probable que la fusion radiale de la Vierge ait entraîné la formation d’une famille d’autres petites galaxies naines et d’amas d’étoiles qui ont rejoint la Voie lactée à peu près au même moment. Des recherches plus approfondies permettront de déterminer lesquels de ces petits objets, que l’on pensait auparavant associés à l’ancienne fusion radiale, sont en réalité liés à la fusion radiale plus récente de la Vierge.
Cette découverte vient enrichir le corpus croissant de données recueillies par le télescope Gaia, qui redéfinit l’histoire de notre foyer cosmique. Ce télescope spatial possède des capacités uniques pour étudier les innombrables étoiles de notre ciel et a, à ce jour, collecté un ensemble de données sans égal sur les positions, les distances et les mouvements d’environ 1,5 milliard d’étoiles.
«Gaia est une mission incroyablement productive qui révolutionne notre compréhension de l’espace», déclare Timo Prusti, responsable scientifique du projet Gaia à l’ESA. «Ces résultats sont le fruit d’un travail d’équipe et d’une collaboration exceptionnels entre d’innombrables scientifiques et ingénieurs en Europe et dans le monde entier.»
«Cette découverte élargit notre connaissance des nombreux processus complexes qui ont façonné la Voie lactée et nous aide à mieux comprendre comment les galaxies se forment et évoluent, en particulier la nôtre.»
Le télescope spatial Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA) a été lancé le 19 décembre 2013 et observe le ciel depuis 2014. Durant cette période, la mission a bouleversé notre compréhension de la Voie lactée, révélant sa forme et sa structure et montrant comment les fusions d’étoiles ont affecté les étoiles qui peuplent notre galaxie. Vous pouvez en savoir plus sur certaines des principales réalisations du télescope ici.
Une histoire de survie se déroule aux confins de notre galaxie, et le télescope spatial Hubble de la NASA est également témoin de cette saga.
Le Grand Nuage de Magellan, également connu sous le nom de LMC, est l’une des galaxies voisines les plus proches de la Voie lactée. Cette galaxie naine occupe une place importante dans le ciel nocturne de l’hémisphère sud, avec un diamètre apparent 20 fois supérieur à celui de la pleine lune.
De nombreux chercheurs pensent que le Grand Nuage de Magellan (GNM) n’orbite pas autour de notre galaxie, mais la frôle simplement. Ces scientifiques estiment que le GNM vient de s’approcher au plus près de la Voie lactée, beaucoup plus massive. Suite à cette rencontre, une grande partie du halo de gaz sphérique qui entourait le GNM a été balayée, selon le service de presse de la NASA.
Des astronomes ont mesuré pour la première fois la taille du halo du Grand Nuage de Magellan (GNM), une prouesse auparavant réservée au télescope spatial Hubble. Dans une étude de 2025 publiée dans The Astrophysical Journal Letters, les chercheurs ont été surpris de découvrir sa taille incroyablement réduite : environ 50 000 années-lumière de diamètre. C’est environ dix fois plus petit que les halos d’autres galaxies de masse comparable à celle du GNM. Cette compacité témoigne de sa collision avec la Voie lactée.
«Le Grand Nuage de Magellan est une merveille», a déclaré Andrew Fox, de l’instrument AURA/STScI de l’Agence spatiale européenne à Baltimore, qui a dirigé les observations. «Même s’il a perdu la majeure partie de son gaz, il en reste suffisamment pour que de nouvelles étoiles continuent de se former. Par conséquent, de nouvelles régions de formation d’étoiles peuvent encore se créer. Une galaxie plus petite n’aurait pas survécu longtemps : il ne resterait plus de gaz, seulement un amas d’étoiles rouges vieillissantes.»
Sur cette illustration, le Grand Nuage de Magellan (GNM) apparaît au premier plan, traversant le halo de gaz de la Voie lactée, galaxie beaucoup plus massive. La collision a balayé une grande partie du halo de gaz sphérique entourant le GNM, comme en témoigne un panache de gaz ressemblant à la queue d’une comète. Cependant, un halo compact subsiste, et les scientifiques ne s’attendent pas à ce que ce halo résiduel disparaisse. L’équipe a étudié ce halo grâce à la lumière de fond de 28 quasars – un type exceptionnellement brillant de noyaux galactiques actifs qui illuminent l’univers comme un phare. Leur lumière permet aux scientifiques d’observer indirectement le gaz du halo, par absorption de la lumière ambiante. Les lignes représentent la vue, depuis l’orbite terrestre, des quasars lointains à travers le gaz du GNM par le télescope spatial Hubble. NASA, ESA, Ralph Crawford (STScI)
Malgré d’importants dégâts, le Grand Nuage de Magellan (GNM) conserve un halo de gaz compact et étroit, qu’il ne pourrait maintenir par gravité s’il était moins massif. La masse du GNM représente 10% de celle de la Voie lactée, ce qui le rend plus massif que la plupart des galaxies naines.
«En raison du halo gigantesque de la Voie lactée, le gaz du Grand Nuage de Magellan (GNM) est tronqué, ou “figé”», explique Sapna Mishra du STScI, auteure principale de l’article décrivant la découverte. «Mais malgré cette interaction catastrophique avec la Voie lactée, le GNM parvient à conserver 10% de son halo grâce à sa masse importante.»
Une grande partie du halo du Grand Nuage de Magellan a été balayée par un phénomène appelé compression dynamique. La Voie lactée, dense, résiste à l’approche du Grand Nuage de Magellan, créant un sillage de gaz qui suit la galaxie naine, à la manière d’une queue de comète.
«J’aime imaginer la Voie lactée comme un gigantesque sèche-cheveux qui expulse les gaz du Grand Nuage de Magellan à mesure qu’il s’approche de nous», explique Fox. «La Voie lactée est repoussée avec une telle force que la pression dynamique arrache la majeure partie de la masse originelle du halo du Grand Nuage de Magellan. Il n’en reste qu’un petit fragment, le petit reste compact que nous observons aujourd’hui.»
Sous l’effet de la pression dynamique qui repousse la majeure partie du halo du Grand Nuage de Magellan, le gaz ralentit et finit par tomber dans la Voie lactée. Cependant, comme le Grand Nuage de Magellan vient de passer au plus près de la Voie lactée et s’éloigne à nouveau vers l’espace profond, les scientifiques ne s’attendent pas à ce que le halo disparaisse complètement.
Pour mener cette étude, une équipe de scientifiques a analysé des données d’observation ultraviolette provenant des archives du télescope spatial Mikulsky, conservées au STS. La majeure partie du rayonnement ultraviolet est bloquée par l’atmosphère terrestre, ce qui rend son observation impossible depuis le sol. Hubble est le seul télescope spatial moderne configuré pour détecter ces longueurs d’onde, et c’est grâce à lui que cette étude a été possible.
Cette illustration représente la collision du Grand Nuage de Magellan (GNM) avec le halo gazeux de la Voie lactée. Sur la figure du haut, au centre droit, le GNM commence à traverser le halo beaucoup plus massif de notre galaxie. Le front de choc violet brillant représente le bord d’attaque du halo du GNM, comprimé par la force du GNM qui repousse le halo de la Voie lactée. Sur la figure du milieu, une portion du halo est arrachée et éjectée dans le flux de gaz qui finira par percuter la Voie lactée. La figure du bas montre la progression de cette interaction, la queue du GNM, semblable à une comète, devenant plus prononcée. Il ne reste alors que le halo compact du GNM. Le GNM venant de passer au plus près de la Voie lactée et s’éloignant à nouveau dans l’espace profond, les scientifiques ne s’attendent pas à ce que le halo résiduel disparaisse. NASA, ESA, Ralph Crawford (STScI)
L’équipe de recherche a étudié le halo en utilisant la lumière de fond de 28 quasars brillants. Les quasars, les noyaux galactiques actifs les plus lumineux, seraient alimentés par des trous noirs supermassifs. Tels des phares, ils permettent aux scientifiques d’observer indirectement le gaz du halo en absorbant la lumière ambiante. On trouve des quasars partout dans l’univers, à des distances extrêmes de notre galaxie.
Des scientifiques ont utilisé les données du spectrographe COS (Cosmic Origins Spectrograph) du télescope spatial Hubble pour détecter la présence de gaz dans le halo en observant comment celui-ci absorbe certaines couleurs de la lumière émise par les quasars d’arrière-plan. Le spectrographe décompose la lumière en ses longueurs d’onde composantes afin de révéler les signatures de l’état d’un objet, notamment sa température, sa vitesse, son abondance, sa distance et sa composition. Grâce au COS, ils ont mesuré la vitesse du gaz autour du Grand Nuage de Magellan, ce qui leur a permis de déterminer la taille du halo.
De par sa masse et sa proximité avec la Voie lactée, le Grand Nuage de Magellan constitue un laboratoire astrophysique unique. L’observation de ses interactions avec notre galaxie aide les scientifiques à comprendre ce qui s’est passé dans l’Univers primordial, lorsque les galaxies étaient plus proches les unes des autres. Elle révèle également la complexité et la subtilité des interactions galactiques.
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Le télescope spatial Hubble est opérationnel depuis plus de trente ans et continue de réaliser des découvertes fondamentales qui transforment notre compréhension de l’univers. Hubble est un projet de collaboration internationale entre la NASA et l’ESA (Agence spatiale européenne). Le Centre de vol spatial Goddard de la NASA, situé à Greenbelt, dans le Maryland, gère le télescope et les opérations de la mission. Lockheed Martin Space, basé à Denver, dans le Colorado, apporte également son soutien aux opérations de la mission à Goddard. L’Institut scientifique du télescope spatial (STScI) de Baltimore, dans le Maryland, géré par l’Association des universités pour la recherche en astronomie (AURA), assure les opérations scientifiques de Hubble pour la NASA.
Les observations de la collision de deux galaxies spirales suggèrent ce qui pourrait arriver à la Voie lactée et à la galaxie d’Andromède si et quand elles entreraient en collision.
Les résultats de cette étude, décrits dans le numéro de juillet 2025 de la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, pourraient également contribuer à résoudre un mystère qui a longtemps perturbé le modèle standard de la cosmologie.
Les deux galaxies en collision, NGC 5713 et NGC 5179, sont situées à 88 millions d’années-lumière de la Terre. Actuellement, la distance qui les sépare est d’environ 300 000 années-lumière, mais cette distance diminue progressivement à mesure qu’elles se rapprochent.
Elles sont entourées de nombreuses galaxies satellites. Dans le modèle cosmologique standard, ces galaxies satellites sont les fragments restants des galaxies géantes assemblées il y a très longtemps par un halo de matière noire massif. Selon cette théorie, chaque galaxie naine orbite autour de sa galaxie mère à travers le halo de matière noire selon une trajectoire aléatoire, et l’ensemble forme un nuage de satellites autour de la galaxie principale, tel un essaim.
Galaxies naines NGC 5719 et NGC 5713, vues depuis le Mount Lemmon SkyCenter de l’Université d’Arizona. Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Université d’Arizona/CC BY-SA 3.0 US
Cependant, les observations montrent que de nombreuses galaxies ne se comportent pas ainsi. Par exemple, de nombreuses galaxies naines de la Voie lactée orbitent autour d’elle dans une seule direction, le long d’un plan étroit. Les observations du télescope spatial Hubble ont révélé que les galaxies naines d’Andromède — la grande galaxie la plus proche de la Voie lactée — tournent également dans leur propre plan. Les galaxies naines d’autres galaxies, comme Centaurus A — formée par la fusion de deux galaxies plus grandes — orbitent elles aussi dans un seul plan.
De nouvelles observations de NGC 5713 et NGC 5719 ont montré pour la première fois que le nuage de satellites nains est en train de passer à un plan orbital plus mince.
Quatorze galaxies naines ont été confirmées dans le système NGC 5713/5719 grâce à des mesures de vitesse orbitale. Dix-huit autres candidates sont en attente de confirmation, et il existe probablement de nombreuses autres galaxies trop faibles pour être détectées. Les observations montrent que les quatorze galaxies naines confirmées sont réparties en deux sous-groupes associés aux deux galaxies principales, mais elles semblent orbiter autour d’elles dans la même direction et le même plan.
Sweet dirige un programme de recherche appelé Delegate, dans lequel des chercheurs d’institutions australiennes étudient dans quelle mesure les galaxies de notre Groupe local, en particulier la Voie lactée et Andromède, sont représentatives des galaxies situées ailleurs dans l’Univers.
Notre galaxie et Andromède se rapprochent. Elles sont encore séparées par 2,5 millions d’années-lumière, mais dans environ 4 milliards d’années, elles seront très proches l’une de l’autre. Une analyse récente a montré que, même si Andromède n’a que 50% de chances d’entrer en collision avec la Voie lactée lors de leur première rencontre au cours des 10 prochains milliards d’années, la gravité finira par provoquer une nouvelle collision et leur fusion.
Les astronomes cherchent à déterminer si cette fusion sera semblable à d’autres fusions observées dans l’univers, ou si la Voie lactée et Andromède sont différentes des autres galaxies. NGC 5713 et NGC 5719, étant dans les dernières phases de leur collision, constituent un excellent exemple d’étude.
Des astronomes dirigés par Helmut Jerjen de l’Université nationale australienne ont examiné plusieurs hypothèses pour expliquer pourquoi les orbites des galaxies naines NGC 5713 et NGC 5719 se transforment en un plan aplati et aligné. L’explication la plus plausible est que les deux systèmes satellites, suivant leurs galaxies hôtes, sont entrés en collision le long de la bande de Bootes, un vaste filament de matière noire au sein de la toile cosmique. Lorsque les deux galaxies ont commencé à interagir, la dynamique gravitationnelle de la bande de Bootes et des deux galaxies a conduit à la formation du plan satellite.
Galaxie d’Andromède. NASA/JPL-Caltech
Les modèles cosmologiques basés sur le modèle standard, où la matière noire joue un rôle crucial, peinent à simuler les galaxies entourées de plans satellites. Deux options se présentent alors : soit les modèles doivent être mis à jour, soit le modèle cosmologique standard est erroné. Si certains chercheurs proposent une théorie alternative de la gravité, appelée dynamique newtonienne modifiée, pour remplacer la matière noire, d’autres estiment que les modèles sont insuffisamment précis et nécessitent des ajustements. Les données de NGC 5713/5719 semblent confirmer cette hypothèse.
Cependant, l’existence de plans galactiques autour de la Voie lactée et d’Andromède demeure un mystère, car ces galaxies sont encore trop éloignées l’une de l’autre pour qu’un processus similaire à celui de NGC 5713/5719 ait pu se produire. D’autres fusions ont pu avoir lieu par le passé; le télescope spatial Hubble a observé des signes indiquant qu’Andromède a subi une collision et une fusion importantes avec une autre galaxie au cours des derniers milliards d’années. La Voie lactée est une énigme majeure ; sa dernière fusion importante remonte à 8 à 11 milliards d’années.
«Les fusions d’étoiles de grande ampleur comme celle-ci constituent une explication possible de la formation de plans satellites tels que ceux que l’on observe autour de la Voie lactée et d’Andromède, mais cela reste un mystère car ce type de structure est rarement visible dans les meilleurs modèles cosmologiques», a déclaré Sweet. «D’autres explications pourraient être la formation in situ d’étoiles naines, leur chute le long de filaments, ou une combinaison des deux.»
Grâce à des observations précises réalisées avec le télescope spatial Hubble, nous pouvons progressivement reconstituer le mouvement des galaxies naines autour d’Andromède. On estime que cinq années de recherche supplémentaires permettront aux astronomes de retracer les orbites de ces galaxies naines et de comprendre comment elles ont atteint leur plan orbital actuel. En continuant d’observer d’autres galaxies, nous pourrons en apprendre davantage sur le fonctionnement de notre propre galaxie.
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