Les pouponnières d'étoiles des galaxies lointaines
Publié par Adrien le 03/10/2019 à 08:00
Source: Université de Genève
Une équipe internationale, dirigée par l'UNIGE, a découvert que les propriétés des nuages moléculaires et le nombre d'étoiles qu'ils produisent diffèrent dans les galaxies lointaines et dans les galaxies proches.


Nuages moléculaires détectés à une résolution jamais égalée jusqu'à aujourd'hui de 90 années-lumière dans le Serpent Cosmique, situé à plus de 8 milliards d'années-lumière, un progéniteur typique de notre galaxie (à gauche). Observé à des résolutions 50'000 fois meilleures, chacun de ces nuages ressemble au 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...) très tourmenté de la nébuleuse (Une nébuleuse (du latin nebula, « nuage ») désigne, en astronomie, un objet céleste d’aspect diffus composé de gaz raréfié et/ou de poussières interstellaires. Les nébuleuses sont...) Carina située à seulement 7500 années-lumière, véritable pouponnière d'étoiles naissantes (à droite).
© UNIGE, Dessauges et NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est...), ESA

Les amas d'étoiles sont formés par la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou...) de nuages moléculaires, des ensembles de gaz froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) et dense présents dans toutes les galaxies. Les propriétés physiques de ces nuages dans notre 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...) ou dans les galaxies proches sont connues depuis longtemps. Mais sont-elles identiques dans les galaxies lointaines, situées à plus de 8 milliards d'années-lumière ? Grâce à une résolution jamais égalée jusqu'à aujourd'hui dans une galaxie lointaine, une équipe internationale, dirigée par l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Genève (UNIGE), a pu détecter pour la première fois des nuages moléculaires dans une Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la...) en devenir. Ses observations, publiées dans la revue Nature Astronomy, démontrent que ces nuages ont une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...), une 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 référence. Le corps de référence est...) et des turbulences internes plus élevées que dans les galaxies proches et produisent bien plus d'étoiles. Les astronomes attribuent ces différences aux conditions interstellaires ambiantes des galaxies lointaines, trop extrêmes pour la survie des nuages moléculaires typiques des galaxies proches.

Les nuages moléculaires sont constitués de gaz d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) moléculaire dense et froid qui tourbillonne à des vitesses supersoniques, provoquant des fluctuations de densité qui se condensent et forment les étoiles. Dans les galaxies proches, comme la Voie Lactée, un nuage moléculaire (En astronomie, les nuages moléculaires sont des nébuleuses interstellaires qui ont une densité et une taille suffisante pour permettre la formation de H2, l'hydrogène moléculaire. Cependant, il est difficile de détecter...) produit entre 1000 et 1'000'000 d'étoiles. Pourtant, dans les galaxies lointaines, situées à plus de 8 milliards d'années-lumière, les astronomes observent des amas gigantesques contenant jusqu'à 100 fois plus d'étoiles. Pourquoi une telle différence ?

Une observation inégalée grâce à une loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant d'obtenir d'un objet une image agrandie. La loupe est la forme la plus simple du...) cosmique

Pour répondre à cette question, les astronomes ont pu bénéficier d'un télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la...) naturel - le phénomène de lentille gravitationnelle (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.) -, couplé à l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) d'ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimiter Array), un interféromètre de 50 antennes radios (A supprimer) millimétriques qui reconstruisent l'image entière d'une galaxie de manière instantanée. "Les lentilles gravitationnelles sont un télescope naturel qui produit un effet de loupe grâce à l'alignement 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 précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) massif (Le mot massif peut être employé comme :) entre l'observateur et l'objet lointain, explique Miroslava Dessauges, chercheuse au Département d'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être...) de la Faculté des sciences de l'UNIGE et première auteure de l'étude. Grâce à cet effet, nous obtenons des zooms sur des parties des galaxies lointaines que nous pouvons alors étudier avec une résolution encore jamais égalée de 90 années-lumière !" ALMA, quant à lui, permet de mesurer le niveau 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...) qui sert de traceur du gaz d'hydrogène moléculaire qui constitue le 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...) froid.

Cette résolution a permis de caractériser les nuages de manière individuelle dans une galaxie lointaine, surnommée le Serpent Cosmique, située à 8 milliards d'années-lumière. "C'est la première fois que nous pouvons différencier les nuages moléculaires les uns des autres", s'enthousiasme Daniel Schaerer, professeur au Département d'astronomie de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Les astronomes ont ainsi comparé la masse, la taille, la densité et les turbulences internes entre les nuages moléculaires des galaxies proches et lointaines. "On pensait que les nuages avaient les mêmes propriétés, quels que soient le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et les galaxies, poursuit le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) genevois, mais nos observations ont démontré le contraire !"

Des nuages moléculaires résistants aux environnements extrêmes

En effet, ces premières observations ont révélé que les nuages moléculaires des galaxies lointaines avaient une masse, une densité et des turbulences de 10 à 100 fois plus élevées que les nuages des galaxies proches. "De telles valeurs avaient uniquement été mesurées dans des nuages de galaxies proches entrées en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.), rendant leur 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 ténu, avec des...) semblable à celui des galaxies lointaines", complète Miroslava Dessauges. Les chercheurs ont ainsi mis en relation ces différences de propriétés physiques des nuages avec les environnements des galaxies, plus extrêmes et hostiles dans les galaxies lointaines que ceux de leurs soeurs proches: "un nuage moléculaire de galaxie proche se retrouverait instantanément collapsé et détruit dans le milieu interstellaire des galaxies lointaines, d'où ses propriétés multipliées pour garantir sa survie et son équilibre", explique la chercheuse genevoise. "Hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.) ou pas hasard, la masse caractéristique des nuages moléculaires du Serpent Cosmique apparait en parfait accord avec notre scénario de fragmentation de disques galactiques turbulents, proposé comme mécanisme de formation de nuages moléculaires massifs dans les galaxies lointaines", se réjouit Lucio Mayer, professeur au Centre de théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) et cosmologique de l'Université de Zurich.

L'équipe internationale a aussi découvert que le niveau d'efficacité de formation d'étoiles des nuages moléculaires du Serpent Cosmique est particulièrement élevé, favorisé par les grandes turbulences internes des nuages. "Dans les galaxies proches, un nuage forme en étoiles environ 5% de sa masse. Dans les galaxies lointaines, ce chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) grimpe à 30%", observe Daniel Schaerer.

Les astronomes vont à présent étudier d'autres galaxies lointaines, afin de confirmer leurs observations faites sur le Serpent Cosmique. "Nous allons également pousser encore plus loin la résolution en profitant des performances uniques de l'interféromètre ALMA et investiguer plus en détail sur cette capacité des nuages moléculaires observés dans les galaxies lointaines à former des étoiles si efficacement", conclut Miroslava Dessauges.
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