"Tests de paternité stellaires" relient les étoiles orphelines à leurs origines dans la Voie lactée.

10 janvier 2024

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par Amy White, Lehigh University

Dans l'environnement chaotique des amas ouverts d'étoiles, les interactions gravitationnelles intenses entre les corps peuvent projeter des étoiles individuelles très loin de l'amas, même à l'extérieur de notre galaxie, la Voie lactée. Maintenant, pour la première fois, des chercheurs ont cartographié plusieurs de ces étoiles, qui se trouvent en dehors du disque de la galaxie, vers les amas dont elles sont originaires en utilisant de nouvelles données de la mission Gaïa de l'Agence spatiale européenne.

Les chercheurs de l'Université Lehigh ont présenté les résultats, intitulés « Tests de paternité stellaire : Appariement des étoiles de type B à haute latitude avec les amas ouverts de leur naissance », aujourd'hui lors d'une conférence de presse à la 243e réunion la Société américaine d'astronomie (AAS) à La Nouvelle-Orléans.

« En remontant dans le temps pour voir d'où elles viennent, nous avons pu apparié 15 d'entre elles avec les amas stellaires où elles sont nées », a déclaré M. Virginia (Ginny) McSwain, professeur associé de physique à l'Université Lehigh. « Si nous pouvons affirmer avec une grande confiance d'où viennent certaines de ces étoiles, nous en saurons plus sur l'histoire des amas stellaires de la Voie lactée. »

La plupart des étoiles en dehors du disque fin de la Voie lactée, qui comprend les bras spirales d'un diamètre plus épais au centre, sont âgées de plus de huit milliards d'années, se formant au début de l'histoire de la galaxie. Étant donné leur très grand âge, il n'est pas surprenant qu'elles se soient éloignées considérablement de leur lieu de naissance.

Étant donné que presque toute la formation des étoiles de notre galaxie se produit dans le disque fin, les étoiles de type B chaudes sont rarement trouvées en dehors de cette région. Cependant, un petit nombre de ces jeunes étoiles - estimées à 10 à 100 millions d'années - se trouvent à des altitudes élevées au-dessus et au-dessous du disque, probablement éjectées des amas où elles sont nées au cours des derniers millions d'années.

« Les étoiles chaudes ne s'aventurent pas souvent hors du disque, donc quand elles le font, elles se démarquent », a déclaré Brandon Schweers, un étudiant de premier cycle de l'Université Lehigh qui a fourni des recherches clés pour le projet. « Les amas 'parentaux' ont probablement éjecté la plupart de ces étoiles de type B lors d'interactions gravitationnelles à trois ou quatre corps proches, les envoyant s'éloigner du plan de la Voie lactée. »

Une étoile étudiée a été éjectée avec une vitesse particulièrement élevée, elle a donc peut-être été éjectée lors d'une supernova dans un système binaire d'étoiles étroitement liées, a déclaré Schweers, un étudiant en astrophysique. Les étoiles peuvent même être éjectées pour ensuite revenir et être à nouveau projetées hors du système.

Bien que ces étoiles « orphelines » soient connues depuis deux décennies, aucune n'avait été cartographiée vers son lieu d'origine auparavant, car des données de qualité n'étaient pas disponibles pour les tracer jusqu'à leur point de départ. Cependant, avec les données de la mission Gaïa, les chercheurs ont pu déchiffrer les mouvements des étoiles avec une précision plus grande qu'auparavant.

Utilisation des trajectoires pour remonter le temps

La mission Gaïa, lancée en 2013, vise à étudier plus d'un milliard d'étoiles de la Voie lactée et à construire une carte tridimensionnelle précise de la galaxie. Les données incluent des mesures positionnelles sans précédent pour les étoiles et des mesures de la vitesse radiale pour les 150 millions d'objets les plus brillants.

En se basant sur les données de Gaïa publiées en 2022, les chercheurs de Lehigh ont suivi les trajectoires cinématiques de 95 étoiles de type B à haute latitude et environ 1 400 amas ouverts galactiques connus pour identifier les moments dans le passé où ils ont pu se croiser et où une éjection aurait pu se produire.

« En utilisant leurs positions tridimensionnelles et leurs vitesses tridimensionnelles dans l'espace, nous avons pu calculer les trajectoires de chaque amas et de chaque étoile à haute latitude au cours des 30 millions d'années passées », a déclaré McSwain. Ils ont utilisé le package Python galpy en libre accès pour l'analyse de la dynamique galactique afin de modéliser le champ gravitationnel de la galaxie à chaque point.

Une fois qu'ils ont identifié des correspondances potentielles, ils ont comparé la couleur et la luminosité de chaque étoile éjectée au diagramme de Hertzsprung-Russell (H-R), un diagramme de magnitude en couleur, pour chaque amas ouvert. Un amas ouvert a généralement des milliers d'étoiles du même âge et de la même composition, à la même distance.

« La forme du diagramme H-R dépend principalement de l'âge de l'amas, nous pouvons donc déterminer si l'étoile éjectée a un âge similaire à ses éventuels « frères » de l'amas », a déclaré McSwain. L'application du test H-R a permis de réduire davantage la liste des correspondances potentielles.

Enfin, ils ont analysé les densités de noyau de chaque amas qui était une correspondance possible. Les amas d'une densité plus élevée ont plus d'interactions gravitationnelles intenses entre les membres, ce qui leur donne le plus grand potentiel pour éjecter des étoiles.

Combining these tools, the researchers confirmed positive paternity matches for 15 orphaned stars. That galactic genealogical tracing was what gave Schweers the idea for the presentation's title.

'When I reached the stage of comparing the color and brightness for the potential matches and discarding those that showed a poor correlation in the H-R diagrams, I felt as though I was comparing the 'DNA' of the orphaned stars and their potential siblings,' Schweers said, reminding him of 'The Maury Povich Show.'

'I think everyone has heard the saying, 'You are not the father' that came from that show. For many of these clusters, I was essentially telling them they are not the parent of these orphaned stars, so I came up with the name 'Stellar Paternity Tests,'' he said.

Based on their trajectory calculations, the researchers estimate the ejections took place about 5 to 30 million years ago, 'flinging abandoned stars across the Milky Way at speeds of 30-220 kilometers/second (67,000-490,000 miles/hour) to their present locations,' they wrote. 'Our results provide a measure of the ejection age for each orphaned star, providing new insight into the relative importance of dynamical vs. supernovae ejection in young open clusters.'

While they were able to match a number of the far-flung stars, some couldn't be traced back to the Milky Way's disk very plausibly, which may provide evidence for other unusual scenarios, they added. These might include rare star formation in molecular clouds high outside the disk, or they could be relics of past dwarf galaxies that merged with the Milky Way in the past.

Undergraduate astrophysics student Christopher J. Aviles Bramer, who graduated in 2022, contributed to the research project.

Provided by Lehigh University