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Posté par Adrien le Mercredi 06/06/2018 à 00:00
Un excès d'étoiles massives dans les galaxies à sursauts d'étoiles
Grâce à ALMA et au VLT, des astronomes ont découvert que les galaxies à sursauts d'étoiles de l'Univers jeune ainsi qu'une zone de formation d'étoiles au sein d'une galaxie proche contenaient une proportion d'étoiles massives nettement supérieure à celle caractérisant les galaxies plus calmes. Ces résultats questionnent les modèles actuels d'évolution des galaxies et modifient notre compréhension de l'histoire de la formation des étoiles ainsi que de la création des éléments chimiques.


Afin de sonder l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) lointain et de déterminer la proportion d'étoiles massives contenues au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) de quatre galaxies à formation d'étoiles riches en 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...) (1), une équipe de scientifiques pilotée par Zhi-Yu-Zhang, astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) d'Edimbourg, a utilisé le Vaste Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet),...) (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (ALMA). Ces galaxies ont été observées alors que l'Univers était beaucoup plus jeune. Il est donc peu probable que ces jeunes galaxies aient déjà connu de nombreux épisodes de formation stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.), susceptibles de fausser les résultats obtenus.

Zhang et son équipe ont élaboré une nouvelle technique - semblable à la datation au carbone 14 (Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone, noté 14C.) - pour mesurer les abondances des différents types de 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...) au sein de quatre galaxies lointaines à formation d'étoiles, emplies de poussière (2). Ils ont notamment déterminé le rapport de deux types de 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.) contenant des isotopes différents (3).

"Les isotopes de carbone et d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) sont d'origines distinctes" précise Zhang. En effet, "les étoiles massives créent davantage de 18O, tandis que les étoiles de faible 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 la force de gravitation (la...) ou de masse intermédiaire produisent davantage de 13C". L'adoption de cette nouvelle technique a permis à l'équipe de sonder la poussière galactique et d'évaluer, pour la toute première fois, la masse des étoiles contenues dans ces galaxies.

La masse d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) est le facteur déterminant son évolution future. Les étoiles massives brillent intensément et s'éteignent rapidement, tandis que les étoiles de faible masse tel le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine...) émettent un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) plus modeste des milliards d'années durant. Connaissant les proportions d'étoiles de masses différentes qui naissent dans les galaxies, les astronomes peuvent affiner leur compréhension de la formation et de l'évolution des galaxies au fil de l'histoire de l'Univers. S'ensuit l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) relatives aux éléments chimiques entrant dans la composition de nouvelles étoiles ainsi que de leurs cortèges de planètes et, finalement, le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de trous noirs susceptibles de fusionner et donc de former les trous noirs supermassifs qui occupent les centres de nombreuses galaxies.

Donatella Romano, astronome à l'INAF - Astrophysics and Space Observatory de Bologne (Bologne est une ville italienne d'environ 375 000 habitants, située dans le nord-est du pays, entre le Pô et les Apennins. C'est le chef-lieu de la région...) et co-auteur de la découverte, explique les résultats obtenus: "Le rapport 18O / 13C caractérisant les galaxies à formation d'étoiles de l'Univers jeune est dix fois supérieur à celui caractérisant les galaxies semblables à la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la galaxie dans laquelle se situent le...). Cela implique que les galaxies à sursauts d'étoiles contiennent une proportion nettement plus élevée d'étoiles massives.

La découverte d'ALMA est cohérente avec une autre découverte, relative à l'Univers local. Une équipe emmenée par Fabian Schneider de l'Université d'Oxford au Royaume-Uni a effectué, au moyen du Very Large Telescope de l'ESO, des relevés spectroscopiques de 800 étoiles de la région de formation stellaire 30 Doradus dans le Grand Nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la...) de Magellan afin de cartographier la distribution des âges et des masses stellaires (4).

Schneider explique les résultats obtenus: "Nous avons détecté des étoiles dont la masse excède les 30 masses solaires dans des proportions supérieures de 30% à la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen...). Les étoiles dont la masse excède les 60 masses solaires étaient quant à elles supérieures en nombre de 70% à la proportion attendue. Nos résultats questionnent l'existence supposée du seuil de 150 masses solaires qu'une étoile nouvellement formée ne pourrait dépasser. Ils suggèrent même que ce seuil pourrait être porté à 300 masses solaires !

Rob Ivison, co-auteur du nouvel article, conclut ainsi: "Nos découvertes invitent à questionner notre compréhension de l'histoire cosmique. Les astronomes qui conçoivent les modèles d'Univers doivent désormais reconsidérer leur outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus...) de travail, et lui apporter les modifications nécessaires."

Notes

(1) Les galaxies à sursauts d'étoiles sont des galaxies traversant une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'intense formation stellaire. Le rythme auquel elles créent de nouvelles étoiles peut être plus de 100 fois supérieur au taux de formation stellaire caractéristique de notre galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la...), la Voie Lactée. Les étoiles massives de ces galaxies émettent un rayonnement ionisant (Un rayonnement ionisant est un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse. Pour les rayons ionisants, il y a beaucoup d'usages pratiques, mais ces rayons sont aussi dangereux pour la santé...), des vents stellaires, et achèvent leurs existences en explosions de supernovae, ce qui influence de manière significative l'évolution dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) et chimique  du milieu environnant. L'étude de la distribution en masse des étoiles dans ces galaxies permet de mieux comprendre leur propre évolution, et plus généralement, l'évolution de l'Univers.

(2) La méthode de datation au carbone 14 est utilisée pour déterminer l'âge d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) composé de matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit par exemple des glucides,...). En mesurant la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de 14C, un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau...) radioactif dont l'abondance décroît continuellement, il est possible de déterminer la date de fin de vie (La vie est le nom donné :) d'un animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire...) ou d'une plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou règne) des Eucaryotes. Elles sont,...). Les isotopes utilisés dans le cadre de l'étude d'ALMA, 13C et 18O, sont stables et leurs abondances augmentent tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au long de la durée de vie d'une galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.), leur synthèse résultant des réactions de fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion nucléaire avec la fusion du...) se produisant à l'intérieur des étoiles.

(3) Ces différentes formes de la 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...) sont appelées isotopologues. Elles diffèrent entre elles au travers de leur nombre de neutrons. Les molécules de monoxyde de carbone utilisées dans le cadre de cette étude constituent un exemple de ces espèces moléculaires: le noyau d'un isotope stable de carbone peut renfermer 12 ou 13 nucléons ; le noyau d'un isotope stable d'oxygène peut contenir 16, 17 ou 18 nucléons.

(4) Schneider et al. ont effectué des 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 plaisir procuré explique la très grande...) spectroscopiques d'étoiles individuelles au sein de 30 Doradus, une région de formation d'étoiles située dans le Grand Nuage de Magellan tout proche, au moyen du spectrographe FLAMES ( Fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) Large Array Multi Element Spectrograph) installé sur le Very Large Telescope (VLT). Cette étude fut l'une des premières à produire des résultats suffisamment détaillés pour montrer que l'Univers est capable de produire des zones de formation d'étoiles caractérisées par des distributions de masses différentes de celle de la Voie Lactée.


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Source: ESO