La symphonie de la Voie lactée : pourquoi les horloges stellaires battent à des rythmes différents ✛
L'âge d'une étoile est la clé de l'histoire de la Galaxie. Mais arracher cette clé à la nature n'est pas chose aisée : contrairement à un arbre, une étoile ne produit pas de cernes annuels. Pourtant, son atmosphère renferme un code chimique : le rapport des éléments, qui a lentement changé au fil des générations d'étoiles qui mouraient et naissaient. La paire yttrium et magnésium est particulièrement instructive, car ces deux éléments ont des destins très différents. Le magnésium, tel un coup de timbale dans une symphonie cosmique, naît instantanément dans les explosions grandioses des étoiles massives — les supernovae de type II — et se répand rapidement dans le milieu interstellaire. L'yttrium, lui, telle une longue note de violoncelle, s'accumule lentement : il est créé par les étoiles de la branche asymptotique des géantes (AGB) au cours du processus-s lent, où les neutrons sont capturés par les noyaux de fer. Si l'on imagine la Galaxie comme un orchestre, ses différentes parties jouent la même pièce à des tempos différents. Au centre, où la formation stellaire a été intense, les « timbales » du magnésium ont couvert le « violoncelle » de l'yttrium, et les horloges ont à peine tictaqué. Aux confins, où la formation d'étoiles s'est étirée paresseusement, l'yttrium a eu le temps de s'accumuler, et le métronome chimique a marqué chaque milliard d'années plus nettement.
Pour entendre cette musique céleste, les astronomes ont utilisé la spectroscopie à haute résolution au télescope de l'observatoire de Molėtai. Le spectrographe VUES, tel un diapason parfait, a permis d'isoler les fines raies d'absorption de Y et de Mg dans les atmosphères de 736 étoiles, en corrigeant les distorsions dues aux écarts à l'équilibre thermodynamique. Pour un tiers de l'échantillon, l'âge a été déterminé avec une très grande précision grâce à la méthode de l'astérosismologie — par les fréquences d'oscillations qui traversent les étoiles comme le son traverse un violon. Il s'est avéré que les horloges chimiques battent effectivement à des rythmes différents. Dans le disque externe (rayon galactique supérieur à 8,5 kpc), la relation entre l'âge et le rapport [Y/Mg] suit une loi linéaire raide : chaque augmentation de [Y/Mg] d'une unité correspond à une diminution de l'âge de près de dix millions de fois. Plus près du Soleil, la pente s'adoucit, et dans le disque interne (moins de 7,5 kpc), la tendance disparaît presque. Les étoiles du disque épais — une population ancienne, formée avant que les étoiles AGB ne commencent à fournir massivement de l'yttrium — ne montrent aucune corrélation. Leurs horloges semblent s'être arrêtées il y a des milliards d'années.
Plus intrigante encore est l'influence de la métallicité. Pour les étoiles dont l'abondance en fer est supérieure à celle du Soleil, la tendance s'aplatit : à des âges jeunes, [Y/Mg] est même plus faible que chez les étoiles de même âge mais de type solaire. La raison réside dans la physique nucléaire du processus-s : lorsque les neutrons sont nombreux et que les noyaux de fer cibles se font plus rares (paradoxalement, à haute métallicité, il y a moins de neutrons par noyau de fer), le rendement en yttrium diminue, saturant les horloges. C'est une nuance subtile que les théoriciens devront encore méditer.
Cette découverte remet en question l'universalité de toute horloge chimique. Les modèles d'évolution qui supposaient que le rapport des éléments détermine sans ambiguïté l'âge d'une étoile doivent être révisés. La Galaxie n'est pas un métronome monotone, mais un orchestre complexe avec des variations régionales de tempo. Comprendre cela non seulement approfondit notre connaissance du passé de la Voie lactée, mais aide aussi à dater plus précisément les étoiles associées à des systèmes planétaires. À terme, des calibrations multidimensionnelles utilisant l'apprentissage automatique combineront plusieurs indicateurs chimiques, les données de Gaia et l'astérosismologie de la future mission PLATO. Nous pourrons alors reconstituer la partition de la symphonie galactique, note après note.
L'yttrium, utilisé comme horloge chimique, doit son nom au village suédois d'Ytterby, où l'on a découvert pour la première fois un minéral contenant cet élément. Le magnésium, l'un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre, naît principalement dans les supernovae de type II. Ainsi, les horloges tictaquent grâce aux explosions et à la lente combustion dans les étoiles.