Les naines blanches de la Voie lactée suggèrent une formation stellaire en déclin

Un modèle qui relie étoiles et naines blanches

Les naines blanches sont les restes compacts d'étoiles, qui se refroidissent peu à peu au fil du temps. Leur luminosité porte la trace à la fois de l'évolution des étoiles et de leur refroidissement. Elles servent donc d'archives : elles permettent de remonter au rythme auquel la galaxie a fabriqué ses étoiles au cours du temps.

Jusqu'ici, ces objets étaient souvent modélisés à part, sans être calés sur le reste de la population d'étoiles. Les chercheurs présentent un cadre de calcul, nommé CALOMERA, qui relie les deux. Il ajuste 18 paramètres sur le catalogue Gaia, dans sa troisième publication de données (DR3) : 7,98 millions d'étoiles situées à moins de 1 kiloparsec (unité de distance astronomique), dont plus de cent mille naines blanches.

Le modèle reproduit le nombre d'étoiles dans chaque région du diagramme couleur-magnitude (graphique qui place chaque astre selon sa couleur et sa luminosité) à 3 % près, et le total à 0,5 % près. L'ancienne calibration, qui ne s'appuyait que sur la séquence principale, c'est-à-dire la bande où se trouve la plupart des étoiles en activité, donnait en comparaison un excès de 81 % dans le nombre de naines blanches prédit.

Une formation stellaire qui décline

D'après le modèle, la formation d'étoiles a atteint un pic tôt, puis a diminué selon une décroissance exponentielle, c'est-à-dire une baisse qui se fait selon une proportion constante dans le temps. Le modèle fait aussi apparaître deux sursauts récents de formation stellaire, plus jeunes que ce pic.

Comment ils l'ont établi

Il s'agit d'une modélisation : une simulation semi-analytique, c'est-à-dire un calcul qui décrit une population d'étoiles par des équations simplifiées, calé sur des observations. Le cadre suit des groupes d'étoiles de même âge, leur répartition au-dessus et au-dessous du plan de la galaxie, leur composition chimique (la métallicité, proportion d'éléments plus lourds que l'hélium) et leur mouvement dans le champ de gravité de la galaxie.

Le modèle est couplé à des séquences de refroidissement de naines blanches issues de trois bibliothèques, Montréal, BaSTI et LPCODE, ainsi qu'à un calcul des couleurs et luminosités attendues. Les trois bibliothèques donnent des ajustements comparablement bons. Elles ne diffèrent que pour les objets les plus faibles, au-delà d'un certain seuil de magnitude absolue (luminosité intrinsèque, mesurée à une distance standard).

Pour vérifier, les chercheurs comparent la répartition prédite des naines blanches selon leur luminosité (la fonction de luminosité) à un échantillon de Gaia situé à moins de 100 parsecs. Ils la jugent en accord raisonnable avec ces observations. Ils prédisent aussi la répartition des naines blanches et le nombre d'objets par tranche de luminosité attendus pour des relevés de profondeurs variées.

Ce que cela change

Le point central est méthodologique : un même jeu d'hypothèses sur l'histoire de la Voie lactée rend compte à la fois des étoiles ordinaires et des naines blanches, alors que les deux étaient souvent traitées séparément. Pour l'histoire de la galaxie, le résultat suggère une formation stellaire ancienne et en déclin, avec des sursauts plus récents.

Le cadre est aussi étendu aux objets sous-stellaires, trop peu massifs pour être des étoiles. Avec des modèles d'atmosphères nommés ATMO, les chercheurs prédisent les populations de naines brunes de types L, T et Y (classes spectrales de ces astres) et leur contribution aux champs profonds du télescope spatial James-Webb (JWST). Il s'agit de prédictions : l'étude n'apporte pas d'observation de ces objets.

Ce que l'étude ne prouve pas

Le travail n'a pas encore été relu par d'autres chercheurs. Le modèle compte 18 paramètres calés sur les données : un bon ajustement montre que le modèle est cohérent avec les observations, mais il ne démontre pas que chaque paramètre correspond à la réalité. Plusieurs versions des refroidissements conviennent, à des différences près pour les objets les plus faibles, ce qui laisse une incertitude sur ces derniers.

L'échantillon porte sur un rayon de 1 kiloparsec autour de nous. Les résultats décrivent donc directement ce voisinage ; les étendre à l'ensemble de la galaxie est une déduction qui reste à vérifier. L'accord sur la fonction de luminosité est qualifié de raisonnable, et non de parfait.

Ce qui reste à établir

Les prédictions de comptages pour des relevés de différentes profondeurs devront être confrontées aux observations à venir. Les prédictions sur les naines brunes et leur contribution aux champs profonds du JWST restent elles aussi à tester. Il reste également à lever l'incertitude sur les objets les plus faibles, pour lesquels les trois bibliothèques de refroidissement divergent.