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    La mémoire de la Galaxie  
    Fabienne Casoli - Ciel et Espace - 1995-11-01      
    Véritables essaims comptant des centaines de milliers d'étoiles serrées les unes contre les autres, les amas globulaires peuplent le bulbe et le halo de la Voie lactée.
Les scientifiques s'intéressent à ces astres très vieux, qui devraient permettre de mieux connaître l'âge de l'Univers et de comprendre comment notre galaxie s'est formée.
 
    Des sentinelles gardent les frontières de notre galaxie : ce sont les amas globulaires. Ils ne dépassent pas les 30 années-lumière de rayon, mais contiennent jusqu'à plusieurs millions d'étoiles. On en trouve tout autour de notre galaxie : même s'ils affectionnent particulièrement les régions entourant le centre galactique, certains en sont éloignés de 100'000 a.-l., voire même 300'000 a.-l. pour une poignée d'irréductibles. Parfois visibles à l'oeil nu sous forme de taches nébuleuses, tels Oméga du Centaure ou 47 Toucan dans l'hémisphère Sud, et M 13 d'Hercule sous nos latitudes, ils deviennent spectaculaires au télescope. Autant d'étoiles entassées dans un mouchoir de poche ne peuvent qu'offrir une vision impressionnante. Ces objets ont eu leur heure de gloire dans les années 20, quand ils permirent à Harlow Shapley de prouver que le Système solaire n'était pas au centre de la Galaxie. Il montra que les amas globulaires occupaient un volume grosso modo sphérique, dont le centre se situait dans la constellation du Sagittaire - ce qu'on connaît désormais sous le nom de centre galactique. Depuis cette époque héroïque, et même s'ils ont déserté le devant de la scène, les amas globulaires n'ont pas cessé de susciter l'intérêt des astronomes. Car l'étude de ces astres en apparence sans histoire se situe maintenant à la croisée de plusieurs chemins astrophysiques : dynamique, évolution stellaire, formation des galaxies et même cosmologie…  
     
   

L'amas NGC 6522, dans la constellation du Sagittaire, semble perdu parmi les millions d'étoiles de la Voie lactée. Cet amas traverse actuellement le disque galactique de part en part : un trajet de plusieurs millions d'années pendant lequel il va probablement perdre quelques-unes de ses étoiles au profit de la Galaxie. Les spécialistes estiment que le "temps d'évaporation" des amas globulaires est de vingt-cinq milliards d'années.

 
    Un détail intéresse au premier chef les astrophysiciens : le fait que les amas globulaires s'avèrent pour la plupart formidablement anciens, certains étant peut-être même contemporains de notre galaxie. C'est leur compacité qui fait leur pérennité : plus un amas est dense et renferme d'étoiles, plus son espérance de vie est longue. Or des étoiles, ils en regorgent littéralement. Pour apprécier pleinement leur extraordinaire densité, il faut se rappeler que dans un cube de 30 années-lumière de côté centré sur le Soleil, on ne compte que quelques centaines d'étoiles, contre plusieurs milliers de fois plus dans les amas. Avec un tel entassement, rien d'étonnant à ce que leurs étoiles soient liées ensemble par la force de gravité. De ce point de vue, ils se différencient nettement des amas dits ouverts, tels les Pléiades, qui contiennent en général moins d'étoiles et se dispersent inexorablement en quelques centaines de millions d'années. Sur quoi se fondent les astronomes pour dire qu'il s'agit là d'objets très anciens ? D'abord, sur leur répartition géographique au sein de notre galaxie. Alors que les amas ouverts, par exemple, se nichent dans le disque galactique, et même préférentiellement dans les bras spiraux, les amas globulaires, eux, occupent plutôt ce fameux volume plus ou moins sphérique qu'est le halo. Une distribution bien particulière, et qui suggère qu'ils se sont formés - tout comme, plus généralement, les étoiles du halo - en ces temps reculés où notre galaxie n'était encore qu'une immense boule de gaz primordial. Ce gaz frais (si l'on peut dire) issu du big bang n'était constitué pratiquement que d'hydrogène et d'hélium, ce qui corrobore bien le fait que les étoiles des amas globulaires contiennent en général fort peu d'éléments plus lourds que l'hélium entre dix et cent fois moins que le Soleil, lequel s'est formé de gaz déjà enrichi par plusieurs apports successifs d'éléments lourds synthétisés par des étoiles massives. Exception notable à la règle : les quelques amas globulaires situés près du disque de la Galaxie se révèlent plus riches en éléments lourds, ce qui confirme que les amas du halo sont plus anciens que ceux du disque.  
    Reste que déterminer l'âge des amas les plus anciens et, par voie de conséquence, celui des premières étoiles de notre galaxie, n'est pas chose facile. Il faut en passer par des modèles d'évolution stellaire, en utilisant le fait que les étoiles de l'amas sont à peu de choses près toutes nées ensemble. Car fabriquer une grande concentration d'étoiles, comme un amas globulaire ou même un amas ouvert, exige des conditions très spéciales. II faut qu'une grande quantité de gaz soit soumise à une perturbation violente et s'effondre très rapidement sous l'effet de son propre poids. Pourquoi ces conditions auraient été réunies lors de la formation de notre galaxie est une autre histoire… Quoi qu'il en soit, les étoiles d'un amas globulaire se sont donc toutes formées en même temps. Une fois que l'on dispose d'un bon modèle d'évolution stellaire (là est le hic, on le verra plus loin), la recette est relativement simple : prendre une bonne quantité d'étoiles de toutes masses, patienter quelques milliards d'années et contempler ce qu'il en reste. Les plus grosses étoiles, celles beaucoup plus massives que le Soleil, ont évolué très vite en supernovae et ont quitté la scène. Les plus petites brûlent encore tranquillement leur hydrogène, bien calées sur la fameuse "séquence principale", facilement repérable dans un diagramme couleur-magnitude. Et plus on patientera, moins il y aura d'étoiles sur la séquence principale. Conclusion le diagramme couleur-magnitude d'un amas globulaire permet de déterminer son âge. Si les étoiles de taille moyenne ont déjà quitté la séquence principale, l'amas est relativement vieux. La méthode n'est cependant pas exempte de risques.  
   

Les naines blanches de M4

 
   
 
   

Zoom sur l'amas M 4 du Scorpion qui, à seulement 7'000 années-lumière, est l'un des plus proches amas globulaires de la Terre. M 4 est perceptible à l'oeil nu, très près de l'éclatante étoile Antarès. Ci-contre à gauche, le champ céleste où se trouve l'amas, en pleine Voie lactée. Cette photographie a été prise avec un téléobjectif de 300 mm de focale seulement. Au centre, l'amas est résolu en plusieurs milliers d'étoiles, sur une photographie prise avec un télescope de 90 cm de diamètre, à l'observatoire de Kilt Peak, en Arizona. Le champ de vision s'étend sur près de 50 années-lumière, et seules les étoiles géantes rouges sont visibles. Enfin, le gros plan de droite a été obtenu avec le télescope spatial Hubble. Cette image à très haute résolution offre un champ de vision de moins de 8 mois-lumière ! Outre les étoiles géantes rouges (des astres comparables à Arcturus ou Aldébaran, par exemple), elle montre quelques naines rouges et, surtout, des naines blanches (cerclées de bleu). L'étude de la vitesse de refroidissement de ces astres (mesurable par leur éclat) est indispensable pour mieux définir leur âge et, partant, celui des amas globulaires.

 
    En effet, l'évolution d'une étoile dépend non seulement de sa masse, mais aussi de sa "métallicité", c'est-à-dire de son contenu en éléments plus lourds que l'hélium. Or les modèles d'évolution des étoiles peu métalliques semblent encore assez incertains. Une même incertitude subsiste en ce qui concerne l'importance de la convection au sein de ces astres…  
    Malgré ces incertitudes, on peut ainsi dater les grandes lignes de la formation de notre galaxie. Un premier épisode de formation d'amas globulaires aurait eu lieu il y a entre 14 et 18 milliards d'années un chiffre qui embarrasse d'ailleurs bien les cosmologistes, alors que les toutes dernières mesures du taux d'expansion de l'Univers confèrent à celui-ci un âge inférieur à 15 milliards d'années. Même si les astronomes ne sont pas arrivés à un consensus, il semblerait bien que cet épisode se soit étalé sur plusieurs milliards d'années. Difficile de dire cependant si, comme le pensent certains, un seul nuage de gaz s'est effondré lentement et a donné naissance aux amas globulaires puis plus tard au disque galactique; ou si les premiers amas globulaires se sont formés indépendamment comme autant de petites galaxies qui auraient fusionné par la suite. De tels épisodes de fusion ou d'accrétion ont certainement eu lieu, ainsi que le montrent les trajectoires bizarres d'un groupe d'amas globulaires ceux-ci tournent en fait en sens inverse du reste de la Galaxie Ces quelques millions d'étoiles seraient tout ce qu'il reste d'une petite galaxie qui aurait été avalée par la nôtre, il y a environ 10 milliards d'années.  
    Mais des amas globulaires aussi vieux, existant depuis des temps aussi reculés, ne devraient-ils pas s'être complètement évaporés ? Comme un verre d'eau laissé à lui-même s'évapore petit à petit, les étoiles périphériques d'un amas lui échappent en effet lentement. De même que certaines molécules d'eau finissent par gagner l'air environnant, le jeu des rencontres entre étoiles - dans un objet aussi dense, les trajectoires s'approchent inévitablement les unes des autres - fait que certaines peuvent être accélérées jusqu'à atteindre la vitesse d'échappement. Elles se libèrent alors du champ de gravité de l'amas, mais pas de celui de notre galaxie… Une bonne partie des étoiles du halo pourraient ainsi avoir connu ce sort : actuellement, seules 1% d'entre elles vivent dans des amas globulaires, mais cette proportion a pu être beaucoup plus importante par le passé. Le temps d'évaporation d'un amas est en effet d'environ 25 milliards d'années, ce qui, compte tenu de leur âge, signifie qu'ils ont déjà bien entamé leur espérance de vie.  
   

Une traversée un peu trop rude de la galaxie, et c'est la dislocation

 
    Les amas ont d'autres occasions de se faire effeuiller de leurs étoiles périphériques, ce qui se produit en fait à chaque fois qu'ils traversent le plan galactique. Car comme tout membre de notre univers-île, les amas gravitent autour de son centre, certains sur une trajectoire presque circulaire, la plupart sur des orbites très elliptiques. En moyenne, un amas globulaire croise le plan de la Galaxie tous les 300 millions d'années. Quand les interactions avec les astres du disque ne sont pas trop fortes, l'amas perd seulement quelques-unes de ses étoiles les plus externes. C'est également lors de ces traversées que le gaz qui s'est échappé au fil du temps des étoiles vieillissantes de l'amas, et qui s'est progressivement accumulé dans celui-ci, est happé. Cela expliquerait pourquoi toutes les tentatives de détection de ce gaz ont jusqu'à présent échoué. Mais que la traversée soit plus violente, et l'amas risque la dislocation complète. De telles rencontres fatales sont relativement fréquentes : les astronomes estiment que trois amas globulaires disparaissent ainsi tous les milliards d'années, et que les trois quarts des amas originels ont désormais disparu.  
    Cette "archéoastronomie" nous renvoie donc à une époque reculée où la Galaxie avait une tout autre allure disque pas encore formé, amas globulaires beaucoup plus nombreux et beaucoup plus riches en étoiles. Mais l'évolution dynamique des amas pose également un autre problème, celui de leur instabilité naturelle. Toute concentration d'astres est par nature instable; sous l'effet de son propre poids, l'amas tend à s'effondrer sur lui-même, évoquant un peu par là les étoiles qui doivent lutter leur vie entière contre la force de gravité. Mais alors que celles-ci peuvent combattre l'effondrement grâce à la production d'énergie qui a lieu en leur cour par le jeu des réactions thermonucléaires, on ne voit pas très bien ce qui peut arrêter le processus dans un amas globulaire. L'effondrement du cour d'un amas, qui porte le joli nom de "catastrophe gravothermale", est étudié depuis les années 60, en particulier par le Français Michel Hénon. Le scénario est le suivant : sous l'effet du champ de pesanteur, les étoiles les plus massives commencent à tomber vers le centre de l'amas, alors que les étoiles périphériques, elles, s'évaporent peu à peu. Au fur et à mesure que le cour devient de plus en plus massif, son champ de gravité augmente et il happe de plus en plus d'étoiles, un processus qui paraît ne pas avoir de fin jusqu'à la formation d'un… trou noir central, bien sûr. Mais en réalité, si quelques amas globulaires montrent un surcroît de luminosité en leur centre (par rapport au profil de brillance standard en fonction du rayon, dit profil de King, du nom de l'astronome américain Ivan King) qui pourrait signaler un cour effondré avec une surdensité d'étoiles, il ne s'agit que d'un cas sur cinq, tout au plus, et rien n'indique qu'il existe réellement un trou noir massif en leur centre.  
    Les astronomes ont mis quelque temps à comprendre que ce qui empêche les amas de s'effondrer, ou du moins ce qui les ralentit, c'est la présence en leur sein d'étoiles binaires. Celles-ci peuvent être primordiales, formées en même temps que l'amas lui-même; après tout, la moitié des étoiles proches du Soleil vit ainsi en couple. Le cour d'un amas globulaire, avec ses violentes forces de gravité, ne paraît cependant pas le lieu de villégiature idéal pour une binaire "lâche", qui a toutes les chances de se dissocier rapidement. Des couples stellaires serrés apparus plus tard, au gré des interactions entre étoiles qui deviennent de plus en plus fréquentes au fur et à mesure que l'amas se contracte auraient en revanche des chances de survivre. Ces binaires ne peuvent être que très serrées. Elles ne se forment en effet que si les deux astres s'approchent l'un de l'autre à moins de quelques rayons stellaires. Pour amorcer le mécanisme qui leur permettra de "réchauffer" l'amas globulaire, il faut encore qu'une troisième étoile les frôle d'un peu trop près, se faisant ainsi violemment éjecter tandis que le couple se resserre. L'interaction gravitationnelle entre les trois astres va donc emprunter de l'énergie au mouvement de la binaire pour la transférer à l'étoile isolée. Par le jeu de telles interactions "à trois corps", un peu d'énergie sera infusée aux étoiles des régions centrales de l'amas, ce qui ralentira quelque peu l'effondrement.  
     
   

Voici la carte des cent cinquante amas globulaires de la Voie lactée. Nombreux dans le bulbe galactique, ils circulent également dans le halo. Les plus lointains sont situés à plus de 100'000 années-lumière du Système solaire. Il reste probablement entre dix et vingt amas globulaires à découvrir car, dans certaines régions du disque galactique, la poussière interstellaire masque les astres d'arrière-plan.

 
    Reste que la présence d'étoiles binaires, qui plus est serrées, au sein des amas globulaires est loin d'être avérée directement : impossible de résoudre des couples d'étoiles à des distances dépassant les quelques milliers d'années-lumière. Il a fallu en fait attendre les observations menées en rayons X pour que les astronomes en viennent à soupçonner leur existence. L'histoire remonte au satellite Uhuru, au début des années 70 : parmi la centaine de sources émettrices de rayons X détectées par Uhuru, cinq étaient situées dans des amas globulaires. On crut d'abord avoir détecté les fameux trous noirs attendus lors de l'effondrement gravothermal, puis, la résolution spatiale des instruments X s'améliorant, on s'aperçut que ces sources, bien que proches du cour des amas en question, n'en occupaient pas exactement le centre. Il fallut donc imaginer autre chose. Or, on soupçonnait déjà que la plupart des sources X galactiques étaient associées à des étoiles binaires : il était donc naturel de supposer qu'il en allait de même pour les amas globulaires.  
     
   

D'où viennent les amas globulaires de M 87 ? Cette elliptique géante domine l'amas de galaxies de la Vierge, à 50 millions d'années-lumière de distance. Elle est auréolée de plus de dix mille amas globulaires, alors que la Voie lactée n'en compte que cent cinquante ! Sur cette photographie, quelques centaines d'amas globulaires sont bien visibles, comme de petites taches floues, autour du cour surexposé de la galaxie.

 
    A l'origine de cette émission X, on trouve un phénomène de cannibalisme : le couple est tellement serré qu'une des étoiles aspire violemment la matière de l'autre, formant ainsi un "pont", un disque d'accrétion qui va être responsable de l'émission X. Mais encore faut-il que les deux étoiles soient très rapprochées et à des stades d'évolution différents l'une encore située sur la séquence principale, ou ayant atteint le stade de géante, et l'autre étant un astre vieillissant et compact, comme une étoile à neutrons. L'astre le plus compact aspire goulûment la matière de son compagnon, laquelle lui tombe dessus en spiralant. La matière accrétée par l'étoile à neutrons est violemment chauffée et rayonne dans le domaine des rayons X. Telle est l'origine des binaires X dans notre disque galactique, et sans doute dans les amas globulaires quoique, dans ces derniers, les sources X soient environ cent fois plus fréquentes qu'ailleurs dans la Galaxie ! Le satellite Einstein, qui observa le ciel entre 1978 et 1981, a ainsi pu montrer que 10% des amas renfermaient des sources X.  
    A ce tableau, s'ajoutent encore des sources X moins lumineuses et dont la nature est longtemps restée mystérieuse. On pense maintenant qu'il s'agirait soit de couples contenant une étoile à neutrons dans une phase calme, soit de couples composés d'une compacte naine blanche et d'une étoile de faible masse. De tels systèmes sont connus partout dans la Galaxie sous le nom de variables cataclysmiques, mais restait encore à établir des preuves de leur présence au sein des amas globulaires. Ce fut chose faite récemment grâce au télescope spatial : des astronomes américains ont pu obtenir le spectre de trois binaires situées dans l'amas NGC 6397, à 6'000 années-lumière du Soleil. La signature est claire, il s'agit bien de variables cataclysmiques - preuve supplémentaire que les amas globulaires contiennent bien des couples serrés d'étoiles. Autre argument : la présence dans les amas des fameuses "traînardes bleues", ces étoiles qui, sur la séquence principale d'un diagramme couleur-magnitude, occupent une place déjà désertée par toutes les autres étoiles de l'amas, comme si elles avaient évolué plus lentement que leurs congénères (d'où leur nom de traînardes). Une des hypothèses proposées à leur endroit invoque la présence d'un compagnon dont elles auraient reçu un surcroît de carburant nucléaire, ce qui aurait retardé leur évolution hors de la séquence principale. Dernière indication enfin : la présence de pulsars millisecondes dans plusieurs amas globulaires. Les pulsars, étoiles à neutrons en rotation rapide, sont habituellement considérés comme des objets "jeunes". Les amas globulaires étaient donc bien le dernier endroit où l'on pensait en trouver. Là encore, tout pourrait s'expliquer par des binaires serrées composées d'une étoile à neutrons et d'une étoile de la séquence principale, la rapidité de la rotation du pulsar étant due à l'accrétion de matière en provenance du compagnon.  
   

Les étoiles binaires sont-elles la clé du mystère entourant les amas ?

 
    On le voit, la présence de binaires serrées dans les amas globulaires semble assez bien étayée par les faits. Cependant, même celles-ci ne pourront pas éternellement empêcher la fin de survenir : les dernières estimations dynamiques concernant l'effondrement du cour donnent environ 25 milliards d'années à vivre à un amas globulaire typique. Comme c'est aussi le temps requis pour que les régions externes s'évaporent, on voit que d'ici à quelques milliards d'années, nos lointains descendants n'auront plus aucun Oméga du Centaure et autres 47 Toucan à se mettre sous le télescope. Bien que très anciens, les amas globulaires ne sont pas éternels…  
    Ce grand âge rend d'autant plus troublantes certaines observations effectuées dans d'autres galaxies, où il semble bien que nous assistions en direct à la formation d'amas globulaires dont certains n'afficheraient que quelques dizaines de millions d'années… Une broutille comparée à l'âge des plus "récents" amas de notre galaxie, ceux situés plus ou moins dans le disque, dont la jeunesse n'est que toute relative plus de dix milliards d'années. Car le fait est que les amas ne sont pas l'apanage de notre galaxie. On en trouve pratiquement dans toutes : environ cent cinquante dans la nôtre, le double dans M 31, notre voisine de la constellation d'Andromède. Les elliptiques paraissent en contenir beaucoup plus, par rapport à leur masse, que les spirales, et cette constatation a longtemps été utilisée, en particulier par l'astronome canadien Sydney van den Bergh, comme un argument contre une théorie en vogue depuis une quinzaine d'années qui veut que les galaxies elliptiques se soient formées par fusion de deux galaxies spirales. Il semblait bien, en effet, que dans un événement aussi violent que la fusion de deux spirales, les amas globulaires - qui sont finalement des objets assez fragiles vis-à-vis de toute perturbation de nature gravitationnelle - ne pouvaient que disparaître. Pourtant, c'est précisément le contraire qui semble se passer. Témoin, la galaxie NGC 7252, qui est le prototype même de la "jeune" galaxie elliptique. Il y a à peine quelques milliards d'années que deux galaxies spirales ont fusionné pour lui donner naissance, et elle en garde les stigmates sous la forme de deux queues d'étoiles et de gaz. Dans ses régions centrales, des astronomes américains ont observé, grâce au télescope spatial, des dizaines de points très bleus qu'ils considèrent être des amas globulaires en formation. Hypothèse confirmée au sol par les astronomes François Schweizer et Patrick Seitzer, qui ont obtenu le spectre de deux de ces objets avec le télescope de S m du mont Palomar : il s'agit d'amas stellaires qui affichent moins de 500 millions d'années. Même découverte dans plusieurs autres galaxies, dont les fameuses Antennes, qui sont juste au début de leur fusion. Bradley Whitmore et François Schweizer y ont observé, là encore avec le télescope spatial (car dans ce cas, la résolution angulaire est critique), plus de sept cents objets bleus et ponctuels. Les plus jeunes auraient moins de 10 millions d'années. Même si certains pensent qu'il s'agit de vulgaires amas ouverts, il semble bien qu'on tienne là de véritables amas globulaires tout juste nés. Voilà qui nous ramène aux origines de notre galaxie : se serait-elle formée elle aussi par fusion de Il protogalaxies" ? C'est peut-être en étudiant ces fossiles vivants que sont les amas globulaires que les astronomes archéologues trouveront les réponses à la question des origines.., de la Voie lactée.  
     
   

Visible à l'oeil nu dans l'hémisphère austral, 47 Toucan est, avec Oméga du Centaure, l'un des plus beaux amas globulaires du ciel. Situé à moins de 15'000 années-lumière, il compte peut-être un million d'étoiles.

 
    Fabienne Casoli est astronome à l'observatoire de Paris  
       
  top Ciel et Espace - 1995-11-01