Les grains se forment bien dans le milieu interstellaire... sauf dans les galaxies les plus jeunes

Publié par Redbran le 14/06/2021 à 13:00
Source: CEA IRFU
Une équipe internationale conduite par plusieurs chercheurs du LFEMI/DAp/CEA vient de publier une étude éclairant les mécanismes de formation des grains interstellaires dans les galaxies. C'est l'un des résultats phares de la collaboration européenne DustPedia, regroupant une trentaine de personnes dans six laboratoires: le DAp du CEA-Saclay, l'IAS à Orsay, l'Université de Gand (L'université de Gand, en abrégé UGent, anciennement Rijksuniversiteit Gent...), l'Université de Cardiff (L’université de Cardiff (anglais : Cardiff University; gallois : Prifysgol...), l'Observatoire de Florence (Florence (en italien Firenze) est une ville d'Italie, capitale de la région de Toscane et...) et l'Observatoire d'Athènes.


Échantillon DustPedia (844) galaxies. Ces images sont des observations à 250 microns, obtenues avec le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le...) Herschel (http://irfu.cea.fr/dap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement...)?id_ast=1033), une mission dans laquelle le DAp a été très impliqué. En particulier, les bolomètres de l'un de ses instruments, PACS, ont été développés au CEA.

Les grains interstellaires sont de petites particules solides de tailles inférieures au micron, mélangées au gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) remplissant l'espace entre les étoiles d'une galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...). Bien que ne représentant qu'environ 1% de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) du gaz, ces grains ont un rôle fondamental dans la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) du milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre...). Dans une galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) comme la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...), ils absorbent ~30% du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la...) et le réémettent dans l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...). Cette fraction peut atteindre 99% dans les galaxies à flambée de formation d'étoiles. Outre ce rôle énergétique, les grains sont également responsables du chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) du gaz neutre par effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau...). D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) chimique, ils servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) de catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) à la formation de plusieurs molécules, dont la plus abondante de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), le dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...).

Finalement, les grains sont un ingrédient crucial du processus de formation d'étoiles. Ils permettent d'évacuer radiativement l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) gravitationnelle des nuages en effondrement, et protègent les molécules qui s'y sont formées. Comprendre la physique des grains est donc essentiel pour comprendre aussi bien l'évolution des galaxies que l'origine de la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) moléculaire à l'origine de la vie (Cet article est consacré aux origines de la vie d'un point de vue scientifique. Les aspects...). Le problème est que les propriétés de ces grains, comme leur composition chimique et leur distribution de taille, sont encore mal connues.

L'article qui vient de paraître dans la livraison de mai 2021 de la revue Astronomy & Astrophysics a porté sur huit cents galaxies de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) DustPedia (voir image ci-contre). La modélisation de ces galaxies a permis de comprendre comment varie leur masse de poussière en fonction de leur métallicité, un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) quantifiant la fraction d'éléments plus lourds que l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) dans leur milieu interstellaire. La métallicité quantifie donc l'âge chimique des galaxies. Cette donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) empirique, reliant le contenu en poussière des galaxies à leur état d'évolution chimique a permis de contraindre les échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) des principaux processus responsables de l'évolution des grains: (i) leur formation dans les ejecta de supernovae ; (ii) leur croissance dans le milieu interstellaire ; (iii) leur destruction par les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...).

Les résultats obtenus montrent que les grains sont principalement formés dans le milieu interstellaire (voir figure ci-contre). Seules les galaxies de très faible métallicité voient leur contenu en poussière formé essentiellement par les supernovae. Ces résultats sont particulièrement éclairants, car plusieurs études statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle...) récentes concluaient, de manière ambiguë, que la formation par les supernovae devait dominer dans tous les systèmes, bien que ce processus ne permette pas d'expliquer les variations spatiales du contenu en poussière de la Voie Lactée.

Cette estimation précise des échelles de temps caractéristiques d'évolution des grains peut d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des...) et déjà être incorporée aux simulations d'évolution des galaxies. Cela est d'autant plus important que lorsque l'on remonte vers l'origine de l'Univers, c'est à dire à haut redshift, la métallicité des galaxies décroît en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...). Par exemple, connaître l'évolution du contenu en poussière d'une galaxie en fonction du temps est nécessaire si l'on veut synthétiser diverses observables à partir de simulations. Ces observables peuvent être des images de galaxies ou des prédictions de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de raies.


Modélisation de l'évolution des grains. Les points avec une ellipse d'incertitude représentent les mesures sur chacune des galaxies. Les contours (jaune-bleu-rouge) représentent la densité de probabilité du modèle d'évolution des grains, contraintes à partir des données. Ce modèle permet de délimiter les deux régimes principaux de production des grains: (i) condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...) dans les ejecta de supernovae ; (ii) croissance dans le milieu interstellaire (Galliano et al., 2021 ; https://doi.org/10.1051/0004-6361/202039701).

Contacts:
- Frederic GALLIANO,
- Maud GALAMETZ,
- Suzanne MADDEN
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