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Les bras spiraux avec Gaia DR2

12/03/2020. De très nombreuses galaxies montrent de magnifiques bras très lumineux, plus ou moins enroulés autour de leurs centres. Notre Galaxie, la Voie lactée fait partie de ce type de galaxies mais la position du Soleil, très proche du plan galactique, et le gaz et la poussière qui y sont concentrés, rendent difficile une compréhension précise du nombre, de la forme et de la position de ces bras spiraux. De plus, jusqu’à présent, on ne disposait pas de mesures précises des distances et des mouvements des étoiles qui s’y concentrent. La Figure 1 montre un schéma des bras spiraux tels qu’ils étaient représentés en 2013. La Figure 2 montre la distribution des observations Gaia sur le disque galactique.

Figure 1 (à gauche) : Vue d’artiste des bras spiraux, de la barre et du bulbe de notre Galaxie tels qu’ils étaient représentés en 2013. © NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt.
Figure 2 (à droite) : Domaine d’observation de Gaia sur le disque galactique. © X. Luri & DPAC-CU2. Simulations basées sur une adaptation du modèle de Besançon réalisée pour Gaia (A. Robin et al.).

Les différentes données de Gaia DR2 permettent une remarquable reconstitution des bras spiraux. Ceci est illustré par la Figure 3, où sont montrées les distributions de deux types de traceurs des bras spiraux : les étoiles chaudes du haut de la séquence principale (de types spectraux O et B) et les nuages de gaz et de poussières formant le milieu interstellaire. Les distances de ces nuages sont déterminées à partir des extinctions subies par des étoiles situées en direction de ces nuages et ayant une bonne photométrie et de bonnes mesures des parallaxes trigonométriques dans Gaia DR2 ainsi qu’une bonne photométrie infrarouge (données 2MASS).

Figure 3 : Les bras spiraux de notre galaxie, la Voie lactée, tels que tracés par les étoiles chaudes observées par Gaia (en haut à droite) ou par le gaz et les poussières qui y sont accumulés (en bas). Le Soleil est au centre de ces trois figures. Le centre galactique (CG) est vers la droite. Remarque : ces figures n’ont pas la même orientation que la Figure 2 de l’article sur la cinématique du disque galactique avec Gaia DR2 (symétrie par rapport à la verticale). Figures tirées des articles de E. Poggio et al. 2018, R. Lallement et al. 2019 et C. Hottier 2019. © D. Katz.

Bien que les bras spiraux regroupent essentiellement des étoiles jeunes et la matière interstellaire où elles se forment, toutes les étoiles du disque galactique croisent parfois ces bras et contribuent alors à leur visibilité en augmentant leur densité. La quantité et la qualité des observations disponibles dans Gaia DR2 ont permis, pour la première fois, d’explorer les bras spiraux de notre Galaxie en utilisant l’ensemble des étoiles d’un échantillon de 5,3 millions d’étoiles : toutes les étoiles de Gaia DR2 ayant des positions, parallaxes trigonométriques plus précises que 10%, mouvements propres et vitesses radiales, quel que soit leur type spectral. La méthode utilisée permet de détecter des surdensités dans le disque galactique jusqu’à environ 5 kpc du Soleil (limitation due au domaine d’observation de Gaia : voir Figure 2). Les résultats sont montrés sur la Figure 4. La Galaxie aurait bien quatre bras spiraux : de l’extérieur vers l’intérieur de la Galaxie : le bras de Persée, le bras local où se trouve le Soleil, le bras du Sagittaire et le bras du Centaure (en anglais : Scutum-Centaurus). Par ailleurs, le bras local serait bien un bras spiral à part entière et non un appendice inter-bras comme suggéré pendant longtemps (appelé spur sur les Figures 1 et 2). Ces résultats sont en complet accord avec les études ci-dessus, basées uniquement sur certains types d’objets.

Figure 4 : Les bras de notre Galaxie d’après une étude de l’ensemble des étoiles de Gaia DR2 avec paramètres astrométriques et vitesses radiales précis. CG = centre galactique. © Adapté de Khoperskov et al. 2020 Fig. 3.

 

Références :