Les pouponnières d'étoiles interagissent avec leur environnement au coeur des galaxies massives
Publié par Adrien le 05/12/2018 à 08:00
Source: CEA

© Raoul Canameras
Les régions de formation d'étoiles les plus intenses de l'Univers jeune interagissent fortement avec leur environnement en échangeant rapidement d'énormes quantités de gaz. Cette découverte, réalisée par une équipe internationale d'astronomes, notamment de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la...) spatiale (Université Paris-Sud/CNRS), du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université/CNRS) et du laboratoire Astrophysique instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) modélisation (Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin...) Diderot/CEA/CNRS), apporte un nouvel indice pour comprendre comment ces galaxies massives ont pu croître si vite, il y a environ 11 milliards d'années. Cette étude est publiée, à travers deux articles, dans la revue Astronomy & Astrophysics du 30 novembre 2018.

Les galaxies les plus massives ont connu leur phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de croissance la plus rapide lorsque l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) avait environ 20% de son âge actuel. Les immenses quantités de poussière et de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz...) ont alors donné lieu à de véritables feux d'artifice de formation d'étoiles, environ cent fois plus rapides que dans la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une...). Les étoiles se sont principalement formées au sein de régions gazeuses, compactes et très massives, et dont les interactions avec les galaxies hôtes restent peu explorées.

En utilisant les deux radiotélescopes de l'IRAM, l'observatoire NOEMA situé dans les Alpes (France) et le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi...) de 30 mètres de Pico Veleta (Espagne), les chercheurs ont constaté que ces pouponnières d'étoiles ne sont pas isolées, mais échangent constamment du gaz avec le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement...) environnant. “C'est la première fois que nous détectons du gaz moléculaire éjecté d'une de ces pouponnières, et produisant un vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous...) galactique pouvant évacuer la majorité du gaz de cette région en seulement quelques millions d'années” explique Raoul Cañameras, auteur principal de la nouvelle étude débutée dans le cadre de sa thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur,...) à l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et...) Paris-Sud/CNRS). “Nous avons découvert ce vent dans une galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres...) récemment identifiée et surnommée ''l'Emeraude'', environ 3 milliards d'années après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que...), en analysant la raie d'émission du monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la molécule est composée d'un atome de carbone et d'un atome...).” 

Cette prouesse a été possible grâce à l'effet grossissant de "lentille gravitationnelle (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.)", dû à la présence d'un amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En deçà de 100, on parle plutôt de...) situé entre la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...) et l'Emeraude. Les chercheurs ont ainsi pu étudier la formation des étoiles dans l'Emeraude sur des échelles de quelques centaines d'années-lumière, habituellement accessibles uniquement pour les galaxies proches.

Le monoxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) est une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) couramment utilisée pour localiser le gaz moléculaire. La raie d'émission de ce gaz contient une composante spectrale dont le décalage témoigne d'une vitesse (On distingue :) élevée, signature d'un vent important.

“Le gaz atteint des vitesses suffisamment élevées pour quitter cette région mais pas la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir...) elle-même, et va donc rester piégé”, ajoute Nicole Nesvadba de l'IAS. “Cela signifie que le vent peut limiter la croissance de la région de formation d'étoiles, mais pas de la galaxie dans son ensemble”. De plus, si cette région éjecte plus rapidement son gaz qu'elle n'en accumule, elle pourra se dissoudre et libérer son contenu dans la galaxie hôte. Les zones denses de formation d'étoiles semblent donc être des structures transitoires qui évoluent rapidement au sein des galaxies.

Les scientifiques ont également étudié les propriétés physiques des nuages moléculaires dans l'Emeraude et d'autres galaxies similaires, en observant plusieurs raies d'émission du monoxyde de carbone avec le télescope de 30 m de l'IRAM. “Ces transitions nécessitent différentes énergies pour être excitées. Ainsi, en mesurant leur intensité relative, nous pouvons déterminer la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) du gaz, ainsi que l'intensité du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) produit par les jeunes étoiles récemment formées”, commente Chentao Yang de l'ESO, co-auteur de cette étude.

De précédentes observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) ont montré que, dans les galaxies à bouffées de formation d'étoiles proches de la Voie Lactée, le gaz atteint les densités et températures les plus extrêmes au sein des nurseries d'étoiles et qu'il est plus diffus dans les régions environnantes. Cependant, l'émission du gaz moléculaire entre les pouponnières d'étoiles est beaucoup plus ténue, et donc très difficile à sonder dans les galaxies de l'Univers jeune. “Nous devons détecter un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de raies d'émission avec différentes énergies d'excitation pour comprendre si ces galaxies lointaines hébergent un ou plusieurs régimes de phases gazeuses”, ajoute Raoul Cañameras. “En plus du gaz directement associé à la formation d'étoiles, les observations de l'IRAM ont révélé une deuxième composante moins dense et pouvant atteindre jusqu'à la moitié de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à...) totale en gaz dans ces galaxies.” Ses propriétés correspondent à des réservoirs de gaz répartis sur de grandes échelles et pouvant participer à la formation de nouvelles nurseries d'étoiles géantes.

Ces galaxies ont été découvertes grâce au relevé du satellite Planck (Planck est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit être lancé en septembre 2008.) de l'ESA dans le domaine submillimétrique. “Bien que Planck ait été principalement conçu pour étudier le rayonnement du fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.), il s'est également révélé très utile pour identifier les galaxies les plus brillantes et les plus rares dans l'Univers jeune”, déclare Hervé Dole de l'IAS, coordinateur de l'étude des sources extragalactiques au sein de la collaboration Planck. “L'utilisation combinée de Planck et de l'IRAM illustre à merveille le potentiel scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) exceptionnel des observatoires terrestres et spatiaux européens pour approfondir notre compréhension de l'Univers”, conclut Nicole Nesvadba, qui dirige la caractérisation de ces galaxies.

Références

R. Cañameras, N. P. H. Nesvadba, M. Limousin et al., “Planck's dusty GEMS. V. Molecular wind (WIND est un satellite de la NASA lancé le 1er novembre 1994 depuis la base de Cape Canaveral par un lanceur Delta II. De forme cylindrique de 2,4 mètres de...) and clump stability in a strongly lensed star-forming galaxy at z = 2.2”; Astronomy and Astrophysics; DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833679

R. Cañameras, C. Yang, N. P. H. Nesvadba, et al., “Planck's dusty GEMS. VI. Multi-J CO excitation and interstellar medium conditions in dusty starburst galaxies at z = 2-4”; Astronomy and Astrophysics; DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833625  
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