Arpentant le ciel pendant près de quatre ans pour observer la lueur de la poussière cosmique froide incrustée dans des nuages ​​de gaz interstellaires, l'Observatoire spatial Herschel a fourni aux astronomes un aperçu sans précédent des berceaux stellaires de notre Galaxie. Par conséquent, Des pas de géant ont été accomplis dans notre compréhension des processus physiques qui conduisent à la naissance des étoiles et de leurs systèmes planétaires.

"Nous sommes faits d'étoffes d'étoiles, " l'astronome Carl Sagan a dit, comme les atomes qui nous forment - nos corps, nos maisons, notre planète - proviennent en grande partie des générations d'étoiles précédentes.

En effet, les étoiles et les planètes naissent continuellement dans les poches les plus denses et les plus froides des nuages ​​moléculaires, où ils prennent forme à partir d'un mélange composé en grande partie de gaz mais contenant également de petites quantités de poussière mélangées.

Dans le cadre d'un processus de recyclage cosmique, les stars retournent également leur matériel retraité après leur disparition, enrichir ce milieu interstellaire qui imprègne toutes les galaxies, y compris notre Voie Lactée, avec des éléments lourds produits dans leurs fours nucléaires et lors des violentes explosions qui mettent fin à la vie des étoiles les plus massives.

Les astronomes savent depuis longtemps que les étoiles prennent forme à mesure que la matière interstellaire se rassemble et se condense, puis se brise en fragments - les graines des futures étoiles - mais de nombreux détails de ce processus complexe sont restés obscurs jusqu'à il n'y a pas si longtemps.

Ce qui a changé la donne dans la compréhension de la naissance des étoiles, c'est l'observatoire spatial Herschel de l'ESA, une mission pionnière qui a été lancée en 2009 et a fonctionné jusqu'en 2013.

Un observatoire unique

Donner un sens à l'univers dans lequel nous vivons est une entreprise fascinante forgée depuis des milliers d'années par le travail incessant d'innombrables premiers penseurs dévoués, philosophes, et plus récemment, par des scientifiques. Ce processus continu est ponctué de découvertes majeures, souvent rendue possible par l'apparition d'une nouvelle instrumentation qui ouvre une autre fenêtre sur le monde, amplifier ou élargir nos sens.

Permettre aux astronomes d'observer plus loin et plus en détail depuis quatre siècles, le télescope a été la clé pour établir notre compréhension physique du cosmos. De la même manière, les progrès des détecteurs astronomiques – de l'œil humain aux plaques photographiques, il y a quelques centaines d'années, et à une grande variété d'appareils électroniques au cours du siècle dernier - a été tout aussi révolutionnaire pour le développement de ces enquêtes.

La découverte de la lumière à des longueurs d'onde autres que la bande visible, au XIXe siècle, et son application à l'astronomie au XXe, ont fait avancer ce processus, révélant des classes entièrement nouvelles de sources et de phénomènes cosmiques, ainsi que des aspects inattendus de ceux connus.

Plus un objet est froid, plus les longueurs d'onde de la lumière qu'il émet sont longues, ainsi observer le ciel dans les domaines infrarouge lointain et submillimétrique permet d'accéder à certaines des sources les plus froides de l'Univers, y compris le gaz froid et la poussière avec des températures de 50 K et même moins.

Bénéficiant d'un télescope avec un miroir primaire de 3,5 mètres - le plus grand jamais observé dans l'infrarouge lointain - et des détecteurs refroidis juste au-dessus du zéro absolu, Herschel pourrait effectuer des observations avec une sensibilité et une résolution spatiale sans précédent aux longueurs d'onde cruciales pour se plonger dans l'enchevêtrement des nuages ​​stellaires.

Cela a rendu Herschel beaucoup plus capable de cartographier l'émission directe de poussière froide que ses prédécesseurs, qui comprennent le satellite astronomique infrarouge américano-néerlandais-britannique (IRAS), L'Observatoire Spatial Infrarouge (ISO) de l'ESA, Le télescope spatial Spitzer de la NASA, et le satellite Akari de la JAXA.

La poussière est une composante mineure mais cruciale du milieu interstellaire qui obscurcit les observations aux longueurs d'onde optiques et du proche infrarouge. En tant que tel, il a longtemps empêché les astronomes d'aller au fond de la formation des étoiles, dans notre Voie Lactée comme dans d'autres, galaxies plus lointaines.

Herschel a complètement renversé la situation. Plutôt que d'être un problème, la poussière est devenue un atout crucial pour les astronomes :brillant aux grandes longueurs d'onde sondées par l'observatoire, la poussière pourrait être utilisée comme traceur de gaz interstellaire à travers la Galaxie et, le plus important, de ses régions les plus denses – les nuages ​​moléculaires – où se déroule la formation des étoiles.

En outre, Herschel offrait la possibilité unique d'observer, avec une couverture spectrale et une résolution sans précédent, un grand nombre de raies dans les spectres des nuages ​​de gaz produits par les atomes et molécules présents, bien qu'en petites quantités, dans le gaz. Avec l'observation de la poussière, ces raies atomiques et moléculaires ont joué un rôle déterminant dans la recherche des propriétés du gaz dans un grand nombre de nuages ​​stellaires.

Plusieurs des programmes clés de Herschel ont été consacrés à l'étude de la naissance des étoiles dans les nuages ​​moléculaires, près et loin, dans notre Galaxie.

En bonne place parmi eux, le Herschel Gould Belt Survey s'est concentré sur les zones proches de la maison, recueillir des observations exceptionnellement détaillées des régions de formation d'étoiles les plus proches, qui sont situés dans des nuages ​​formant collectivement un anneau géant à 1500 années-lumière du Soleil. Un autre projet, le levé d'imagerie Herschel des objets OB Young Stellar, regardé spécifiquement comment naissent les étoiles massives. Et enfin, l'enquête infrarouge Herschel sur le plan galactique a effectué un recensement complet des nurseries stellaires à travers la Voie lactée en collectant une vue à 360 degrés du plan galactique.

Ces trois programmes d'observation ont consacré à eux seuls plus de 1 500 heures d'observations à étudier la formation des étoiles.

Filaments à gogo

La découverte la plus frappante qui a émergé de ces vastes études était un vaste et complexe réseau de structures filamenteuses qui se frayaient un chemin à travers la Galaxie.

Trouver des filaments en soi n'était pas une nouveauté - des structures similaires avaient déjà été détectées au cours des décennies précédentes - mais leur présence omniprésente était définitivement remarquable.

Herschel a été le premier observatoire à révéler des filaments presque partout dans le milieu interstellaire, des petits, quelques années-lumière seulement, à des fils géants s'étendant sur des centaines d'années-lumière.

De telles structures ont été repérées dans tous les types de nuages, aussi dans ceux sans formation d'étoiles en cours. Les astronomes se sont demandé :pourquoi certains filaments produisent-ils des étoiles, tandis que d'autres ne le font pas ?

L'abondance de nouvelles données a révélé non seulement que les filaments sont omniprésents, mais aussi qu'ils semblent avoir des propriétés très similaires, au moins dans notre quartier local. Quelle que soit leur longueur, tous les filaments observés dans les nuages ​​voisins ont une largeur universelle – environ un tiers d'année-lumière.

L'origine de ces filaments interstellaires et de leur largeur universelle est vraisemblablement liée à la dynamique turbulente des gaz dans les nuages ​​interstellaires. En réalité, la largeur correspond à l'échelle typique où le gaz subit la transition de l'état supersonique à l'état subsonique, suggérant que les filaments apparaissent à la suite de turbulences supersoniques dans les nuages.

Formation d'étoiles de faible masse

Après 2010, lorsque les premières études d'observations Herschel ont été publiées, il est devenu clair que les filaments interstellaires sont des éléments cruciaux dans le processus de formation des étoiles.

Les preuves des observations de Herschel ont continué à s'accumuler au cours des années suivantes.

Les filaments semblent précéder la formation des étoiles dans notre Galaxie et, dans certains cas, ils le facilitent. Mais seuls les filaments qui dépassent un seuil de densité minimale semblent être actifs dans la production d'étoiles.

Compte tenu des preuves accumulées, les astronomes ont développé un nouveau modèle pour expliquer comment les étoiles de faible masse, comme notre Soleil, sont nés. Dans ce scénario en deux étapes, d'abord une nappe de filaments naît de la turbulence, mouvements supersoniques de gaz dans la matière interstellaire. Plus tard, mais seulement dans les filaments les plus denses, la gravité prend le relais :les filaments deviennent alors instables et se fragmentent en touffes qui, à son tour, commencer à se contracter et finalement créer des noyaux pré-stellaires - les graines des futures étoiles.

Même s'il est omniprésent, les filaments représentent une petite fraction de la masse totale qui compose le milieu interstellaire de la Galaxie, et seuls les plus denses d'entre eux participent au processus hautement inefficace de formation des étoiles.

Alors que les structures filamenteuses denses sont sans aucun doute les sites préférés pour la naissance stellaire, Herschel a également observé des étoiles qui semblent se former dans des régions où les filaments n'ont pas été identifiés.

Formation d'étoiles de grande masse

Des étoiles massives, dépassant plusieurs fois la masse du Soleil, sont des objets rares mais extrêmement lumineux et puissants qui ont un impact significatif sur leur environnement. Leur formation a été une énigme qui a échappé à toute explication pendant de nombreuses décennies en raison de la difficulté à concilier l'énorme pression de rayonnement qui se produit au fur et à mesure qu'elles prennent forme avec le fait que cela est suffisant pour disperser le matériau et arrêter complètement le processus d'accrétion.

En raison des masses plus importantes et des sorties d'énergie impliquées, ces étoiles doivent prendre vie dans des conditions très différentes de celles trouvées dans les lieux de naissance de leurs homologues de masse inférieure. Comme le révèlent les observations de Herschel, des étoiles massives semblent se former au voisinage de structures gigantesques telles que des crêtes (massives, filaments à haute densité) et des moyeux (amas sphériques de matière) qui peuvent apparaître à l'intersection de filaments ordinaires.

Avec leurs énormes réservoirs de gaz et de poussière, les crêtes et les moyeux peuvent fournir le flux soutenu de matériel nécessaire pour soutenir la croissance d'énormes embryons stellaires. Dans ces environnements extrêmes, aussi appelé 'mini-étoiles', la formation d'étoiles peut atteindre des niveaux très intenses, donnant finalement naissance à des amas stellaires hébergeant principalement des étoiles massives.

Tout en mettant en évidence les différents phénomènes qui conduisent à la formation d'étoiles de masse élevée et faible, Herschel les a également réunis dans un cadre commun. Dans le cadre d'un processus continu se déroulant à toutes les échelles, le matériau interstellaire est agité, comprimé et confiné dans une variété de structures filamenteuses, dont l'effondrement ultérieur sous l'effet de la gravité et la fragmentation subséquente donnent lieu à une multiplicité d'étoiles différentes.

De nouvelles réponses à de nouvelles questions

En moins d'une décennie, les astronomes utilisant les données extraordinaires de Herschel ont montré comment le phénomène apparemment complexe de la formation d'étoiles peut être compris en termes de processus simples et universels. Les observations de galaxies proches indiquent que des processus similaires pourraient également être en jeu au-delà des limites de notre Voie lactée.

Au cours de ses relevés des régions de formation d'étoiles, Herschel a également observé de nombreux disques protoplanétaires autour de très jeunes étoiles, providing a glimpse into the raw material that will eventually build up these stars' planetary systems.

Cependant, as new observations offer an answer to old questions, many new questions arise, some of which remain unanswered. Astronomers are still investigating a number of crucial aspects of star formation, such as the origin of filaments in molecular clouds, the dynamics of matter accretion, and the role of magnetic fields in the process.

To address some of these questions, in particular the formation of filaments, Herschel observations of various molecular clouds have been compared with measurements of the magnetic field in these clouds, obtained using ESA's Planck satellite and ground-based observatories, as well as with predictions of numerical simulations. The comparisons show that the magnetic fields tend to be perpendicular to the densest, star-forming filaments and parallel to lower-density filaments, known as striations, that flow into the denser ones, contributing to their growth.

Future studies and even more detailed observations will be needed to confirm and elucidate how magnetic fields do, as suggested, play a strong role in the process of star formation, contributing to deepening our understanding of this fascinating phenomenon.