Comment Herschel a débloqué les secrets de la formation d’étoiles (vidéo)

Surveillant le ciel pendant près de quatre ans pour observer la lueur de poussière cosmique froide dans des nuages ​​interstellaires de gaz, l’Observatoire de l’espace Herschel a fourni aux astronomes un aperçu sans précédent des berceaux stellaires de notre galaxie. 

En conséquence, des progrès géants ont été pris dans notre compréhension des processus physiques qui ont conduit à la naissance des étoiles et de leurs systèmes planétaires.

 » Nous sommes faits d’étoilées », a déclaré l’astronome Carl Sagan, comme les atomes qui nous produisent – nos corps, nos maisons, notre planète – proviennent en grande partie de générations précédentes d’étoiles.

En effet, les étoiles et les planètes naissent constamment dans les poches les plus denses et les plus froides de nuages ​​moléculaires, où elles se forment à partir d’un mélange qui se compose en grande partie de gaz mais contient également de petites quantités de poussière.

Dans le cadre d’un processus de recyclage cosmique, les étoiles renvoient également leur matériel transformé après leur disparition, enrichissant ce milieu interstellaire qui imprègne toutes les galaxies, y compris notre Voie lactée, avec des éléments lourds produits dans leurs fours nucléaires et lors des explosions violentes qui finissent en des étoiles les plus massives.

Les astronomes ont longtemps été conscients que les étoiles prennent forme lorsque le matériel interstellaire se réunit et se condense, puis se brise en fragments – les graines des futures étoiles – mais de nombreux détails de ce processus complexe sont restés incertains jusqu’à il n’y a pas si longtemps.

Ce qui a transformé les tables pour comprendre comment les étoiles sont nées, c’est l’Observatoire spatial Herschel de l’ESA, une mission pionnière lancée en 2009 et opérée jusqu’en 2013.

Une observation unique

Le fait que l’univers dans lequel nous vivons soit un effort fascinant forgé pendant des milliers d’années par le travail incessant d’innombrables penseurs, philosophes et plus récemment, par des scientifiques. Ce processus continu est ponctué par des découvertes majeures, souvent rendues possibles par le début d’une nouvelle instrumentation qui ouvre une autre fenêtre sur le monde, amplifie ou élargit nos sens.

Pour permettre aux astronomes d’observer plus loin et plus en détail au cours des quatre derniers siècles, le télescope a été la clé pour établir notre compréhension physique du cosmos. De même, le progrès des détecteurs astronomiques – de l’oeil humain aux plaques photographiques, il y a quelques centaines d’années, et à une grande variété de dispositifs électroniques au cours du siècle passé – a été tout aussi révolutionnaire pour le développement de ces recherches.

La découverte de la lumière à des longueurs d’ondes autres que la bande visible, au XIXe siècle, et son application à l’astronomie au vingtième, ont favorisé ce processus, révélant des classes entièrement nouvelles de sources et de phénomènes cosmiques, ainsi que des aspects inattendus de ceux connus.

Plus un refroidisseur est un objet, plus les longueurs d’onde de la lumière sont longues, l’observation du ciel dans les domaines à infrarouge lointain et sous-millimétrique permet d’accéder à certaines des sources les plus froides de l’univers, y compris le gaz frais et la poussière avec des températures de -50 K et encore moins.

Avec un télescope avec un miroir primaire de 3,5 mètres – le plus grand jamais observé aux longueurs d’onde infrarouges lointaines – et des détecteurs refroidis juste au-dessus du zéro absolu, Herschel pourrait effectuer des observations avec une sensibilité sans précédent et une résolution spatiale aux longueurs d’onde cruciales pour approfondir l’enchevêtrement des nuages ​​formant des étoiles.

Cela a rendu Herschel beaucoup plus capable de cartographier les émissions directes de la poussière froide que ses prédécesseurs, notamment le satellite astronomique infrarouge US-Dutch-British (IRAS), l’Observatoire de l’espace infrarouge de l’ESA (ISO), le télescope spatial spitzer de la NASA et le satellite Akari de JAXA .

La poussière est une composante mineure mais cruciale du milieu interstellaire qui obscurcit les observations aux longueurs d’onde optique et infrarouge proche. En tant que tel, il a longtemps empêché les astronomes d’arriver au fond de la formation d’étoiles, dans notre Voie lactée ainsi que dans d’autres galaxies plus éloignées.

Herschel a complètement tourné la situation. Plutôt que d’être un problème, la poussière est devenue un atout crucial pour les astronomes: brillant aux longues longueurs d’ondes sondées par l’observatoire, la poussière pourrait être utilisée comme traceur de gaz interstellaire à travers le Galaxy et, surtout, de ses régions les plus denses nuages ​​moléculaires – où se déploie la formation d’étoiles.

En outre, Herschel a fourni la possibilité unique d’observer, avec une couverture et une résolution spectrales sans précédent, un grand nombre de lignes dans les spectres des nuages ​​de gaz produits par des atomes et des molécules qui sont présents, quoique en petites quantités, dans le gaz. Avec l’observation de la poussière, ces lignes atomiques et moléculaires ont contribué à repérer les propriétés du gaz dans un grand nombre de nuages ​​formant des étoiles.

Plusieurs des programmes clés de Herschel ont été consacrés à étudier la naissance des étoiles dans des nuages ​​moléculaires, proches et lointains, dans notre Galaxy.

Parmi eux, l’étude Herschel Gould Belt Survey s’est concentrée sur des zones proches de la maison, recueillant des observations exceptionnellement détaillées des régions formant des étoiles les plus proches, situées dans des nuages ​​formant collectivement un anneau géant à 1500 ans-lumière du Soleil. Un autre projet, l’étude d’imagerie de Herschel sur les objets OB Young Stellar, portait spécifiquement sur la façon dont les étoiles massives sont nées. Et enfin, l’étude Herschel infrarouge sur le plan galactique a effectué un recensement complet des pépinières stellaires à travers la voie lactée en recueillant une vue à 360 degrés du plan galactique.

Ces trois programmes d’observation ont permis de consacrer plus de 1500 heures d’observations à la formation d’étoiles.

Les filaments en abondance

La découverte la plus frappante découlant de ces vastes enquêtes a été un vaste et complexe réseau de structures filiformes qui traversent le Galaxy.

Trouver des filaments en soi n’était pas une nouveauté – des structures similaires avaient déjà été détectées au cours des décennies précédentes – mais leur présence omniprésente était certainement remarquable.

Herschel était le premier observatoire à révéler des filaments à peu près partout dans le milieu interstellaire, des petits, seulement quelques années-lumière, aux fils géants s’étendant sur des centaines d’années-lumière.

De telles structures ont été repérées dans tous les types de nuages, aussi dans ceux qui n’ont pas de formation d’étoiles en cours. Les astronomes se sont demandés: pourquoi certains filaments produisent des étoiles, alors que d’autres ne le font pas?

La générosité de nouvelles données révèle non seulement que les filaments sont omniprésents, mais aussi qu’ils semblent avoir des propriétés très similaires, du moins dans notre quartier local. Indépendamment de leur longueur, tous les filaments observés dans les nuages ​​proches ont une largeur universelle – environ un tiers de l’année-lumière.

L’origine de ces filaments interstellaires et de leur largeur universelle est probablement liée à la dynamique turbulente du gaz dans les nuages ​​interstellaires. En fait, la largeur correspond à l’échelle typique où le gaz subit la transition de l’état supersonique à l’état subsonique, ce qui suggère que les filaments résultent de la turbulence supersonique dans les nuages.

Formation d’étoiles à faible masse

Après 2010, lorsque les premières études sur les observations de Herschel ont été publiées, il est apparu clairement que les filaments interstellaires sont des éléments cruciaux dans le processus de formation des étoiles.

La preuve des observations de Herschel a continué à s’accumuler au cours des années suivantes.

Les filaments semblent précéder la formation d’étoiles dans notre galaxie et, dans certains cas, elles le facilitent. Mais seuls les filaments qui dépassent un seuil de densité minimum semblent être actifs dans la production d’étoiles.

Compte tenu de la preuve accumulée, les astronomes ont développé un nouveau modèle pour expliquer comment les étoiles de faible masse, comme notre Soleil, sont nées. Dans ce scénario en deux étapes, d’abord, une toile de filaments provient de mouvements de gaz excitants et excensiques dans le matériau interstellaire. Plus tard, mais seulement dans les filaments les plus durs, la gravité prend en charge: les filaments deviennent instables et se fragmentent en tas qui, à leur tour, commencent à se contracter et finissent par créer des noyaux pré-stellaires – les graines des futures étoiles

Même si omniprésente, les filaments représentent une petite fraction de la masse totale qui constitue le milieu interstellaire de la galaxie, et seuls les plus durs participent au processus très inefficace de la formation d’étoiles.

Alors que les structures filiformes denses sont sans aucun doute les sites préférés pour la naissance stellaire, Herschel a également observé des étoiles qui semblent se former dans les régions où les filaments n’ont pas été identifiés.

Formation d’étoiles de haute masse

Les étoiles massives, dépassant plusieurs fois la masse du Soleil, sont des objets rares mais extrêmement brillants et puissants qui ont un impact important sur leur environnement. Leur formation a été une énigme qui a échappé à l’explication pendant de nombreuses décennies en raison de la difficulté à concilier l’énorme pression de rayonnement qui se pose lorsqu’elles prennent forme, ce qui est suffisant pour disperser le matériau et arrêter complètement le processus d’accrétion.

En raison des grandes masses et des sorties d’énergie impliqués, ces étoiles doivent revivre dans des conditions très différentes de celles trouvées dans les lieux de naissance de leurs homologues de masse inférieure. Comme l’ont révélé les observations de Herschel, des étoiles massives semblent se former au voisinage de structures gigantesques telles que les crêtes (filaments massifs et à haute densité) et les moyeux (groupes de matières sphériques) qui peuvent surgir à l’intersection des filaments ordinaires.

Avec leurs énormes réservoirs de gaz et de poussière, les crêtes et les moyeux peuvent fournir le flux soutenu de matériel nécessaire pour soutenir la croissance d’énormes embryons stellaires. Dans ces environnements extrêmes, également appelés «mini-starbursts», la formation d’étoiles peut atteindre des niveaux très intenses, finissant éventuellement par des clusters stellaires accueillant principalement des étoiles massives.

Tout en soulignant les différents phénomènes qui conduisent à la formation d’étoiles de haute et basse masse, Herschel les a également rassemblées dans un cadre commun. Dans le cadre d’un processus continu ayant lieu sur toutes les écailles, le matériau interstellaire est agité, comprimé et confiné dans une variété de structures filamenteuses, dont l’effondrement ultérieur sous gravité et la fragmentation subséquente donne lieu à une multiplicité d’étoiles différentes.

Des nouvelles réponses aux nouvelles questions

En moins d’une décennie, les astronomes utilisant les données extraordinaires de Herschel ont montré comment le phénomène apparemment complexe de la formation d’étoiles peut être compris en termes de processus simples et universels. Les observations des galaxies voisines indiquent que des processus similaires pourraient être en jeu au-delà des limites de notre Voie lactée.

Au cours de ses enquêtes sur les régions formant des étoiles, Herschel a également observé de nombreux disques protoplanétaires autour d’étoiles très jeunes, donnant un aperçu de la matière première qui finira par construire les systèmes planétaires de ces étoiles.

Toutefois, au fur et à mesure que de nouvelles observations offrent une réponse aux anciennes questions, de nombreuses nouvelles questions se posent, dont certaines restent sans réponse. Les astronomes étudient encore un certain nombre d’aspects cruciaux de la formation d’étoiles, tels que l’origine des filaments dans les nuages ​​moléculaires, la dynamique de l’accrétion de la matière et le rôle des champs magnétiques dans le processus.

Pour répondre à certaines de ces questions, en particulier la formation de filaments, les observations de Herschel de divers nuages ​​moléculaires ont été comparées aux mesures du champ magnétique dans ces nuages, obtenues à l’aide des satellites Planck et des observatoires terrestres d’ESA ainsi que des prédictions de simulations numériques. Les comparaisons montrent que les champs magnétiques ont tendance à être perpendiculaires aux filaments les plus denses et aux filaments parallèles aux filaments à faible densité, connus sous le nom de striations, qui s’écoulent dans les plus denses, contribuant à leur croissance.

Des études futures et des observations encore plus détaillées seront nécessaires pour confirmer et élucider comment les champs magnétiques, comme suggéré, jouent un rôle important dans le processus de formation des étoiles, ce qui contribue à approfondir notre compréhension de ce phénomène fascinant.

(Source : ESA)

 

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