Une équipe internationale dirigée par le Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu vient d'obtenir de nouveaux indices sur l'origine de la distribution de masse des étoiles, combinant les données d'observation du grand interféromètre ALMA et du radiotélescope APEX exploité par l'Observatoire austral européen (ESO) et l'Observatoire spatial Herschel.

Merci à ALMA, les chercheurs ont découvert dans la soi-disant nébuleuse de la patte de chat, situé à environ 5, 500 années-lumière, la présence de noyaux denses protostellaires beaucoup plus massifs que ceux observés dans le voisinage solaire. Des chercheurs ont montré qu'il existe un lien étroit entre la distribution de masse des filaments interstellaires et la distribution de masse des étoiles. La densité - ou masse par unité de longueur - des filaments parents est le paramètre crucial qui contrôle les masses des étoiles nouvellement formées. Cette découverte fournit un indice clé sur l'origine des masses stellaires. Ces résultats sont publiés dans trois articles de la revue Astronomie &Astrophysique .

L'énigme des masses stellaires

Les étoiles sont les principaux éléments constitutifs de l'Univers et la vie d'une étoile est presque entièrement déterminée par sa masse initiale. Mais, l'origine de la distribution de masse des étoiles à la naissance - appelée fonction de masse initiale par les astronomes - est toujours un problème non résolu. On a longtemps pensé que les étoiles étaient formées par l'effondrement de nuages ​​interstellaires plus ou moins sphériques. Mais à partir de 2009, l'observatoire spatial Herschel, observation dans l'infrarouge lointain et submillimétrique, a permis une percée fondamentale en révélant que les étoiles naissent principalement dans des filaments denses de gaz froid. Quand ces longs filaments de gaz, à une température d'à peine ~ 10 K (10 degrés au-dessus du zéro absolu), atteindre un seuil critique de densité d'environ 5 masses solaires par année-lumière de longueur, la concentration massique devient suffisante pour former des étoiles.

En observant les nuages ​​interstellaires dans le voisinage solaire, les résultats du satellite Herschel ont montré que les filaments formant des étoiles ont tous à peu près la même largeur, près de ~ 0,3 années-lumière. Dans ces nuages, la masse caractéristique des étoiles formées par fragmentation des filaments est d'environ ~ 0,3 masse solaire.

Mais la sensibilité et la résolution des images satellitaires Herschel étaient insuffisantes pour étudier ce processus de fragmentation dans des nuages ​​plus éloignés. Pour mieux comprendre comment des étoiles significativement plus massives que notre Soleil peuvent se former dans les filaments interstellaires, les astronomes ont dû utiliser des instruments avec des capacités de résolution plus élevées que Herschel, comme la caméra ArTéMiS du radiotélescope APEX et le grand interféromètre ALMA, tous deux situés dans le désert d'Atacama au Chili.

Des étoiles plus massives dans des filaments plus denses ?

L'étude ALMA s'est concentrée sur une région de formation d'étoiles massive connue sous le nom de NGC 6334, également connue sous le nom de nébuleuse de la patte de chat, situé à environ 5 500 années-lumière de la Terre. Cette nébuleuse fut l'une des premières régions "photographiées" par la caméra ArTéMiS observant à la longueur d'onde de 350 µm. L'image ArTéMiS a révélé que le filament principal a une largeur d'environ 0,5 années-lumière, très similaire à celle mesurée avec Herschel pour les filaments du voisinage solaire.

Les chercheurs du laboratoire AIM ont ensuite pu cartographier une partie du filament de la patte de chat à l'aide de l'interféromètre ALMA. À son tour, l'image ALMA a montré que la structure du filament est très similaire à celle des filaments du voisinage solaire, fait de "fibres" ou de tresses entrelacées et de condensations protostellaires. Mais ces condensations protostellaires sont ici d'un ordre de grandeur plus massives. Il apparaît ainsi que les filaments interstellaires se fragmentent qualitativement de manière très similaire, quelle que soit leur densité, mais que la masse caractéristique des condensations protostellaires - et donc des étoiles - qui résulte de la fragmentation des filaments augmente avec la densité linéaire des filaments.

Cette relation étroite, démontré pour la première fois, renforce l'idée que la formation d'étoiles dans des filaments de gaz moléculaire dense est peut-être un processus quasi universel. De tels filaments représentent les "blocs de construction" fondamentaux de la naissance des étoiles et la densité de filaments (ou masse par unité de longueur) semble être le paramètre critique qui décide finalement des masses des étoiles formées. La distribution de masse des étoiles serait ainsi en partie « héritée » de la distribution des densités linéaires de filaments.

Mais l'énigme des masses stellaires n'est pas encore totalement résolue. Une nouvelle question se pose à la suite de ce travail :quelle est l'origine de la distribution de densité des filaments stellaires ? Les chercheurs soupçonnent que le champ magnétique et l'organisation des lignes de champ à l'intérieur des filaments jouent ici un rôle crucial. L'instrument B-BOP, l'imageur polarimétrique du projet SPICA (SPace Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics) pour le télescope spatial cryogénique infrarouge proposé comme mission M5 de l'Agence spatiale européenne (ESA), devrait permettre de tester cette hypothèse à l'avenir.