En utilisant l'observatoire ALMA au Chili, un groupe d'astronomes dirigé par Henrik Beuther de MPIA a fait l'observation la plus détaillée à ce jour de la façon dont un nuage de gaz géant se fragmente en noyaux denses, qui agissent alors comme le berceau des étoiles. Les astronomes ont découvert que les mécanismes de fragmentation sont assez simples, résultant de la combinaison de la pression et de la gravité du nuage. Fonctionnalités plus complexes, telles que les lignes magnétiques ou les turbulences, jouer un rôle moins important qu'on ne le pensait auparavant.

Les étoiles naissent lorsque des nuages ​​géants de gaz et de poussière s'effondrent. Chaque fois que l'une des régions qui s'effondre devient suffisamment chaude et dense pour que la fusion nucléaire s'installe, une star est née. Pour les étoiles massives, c'est-à-dire les étoiles qui présentent plus de huit fois la masse du Soleil, ce n'est qu'une partie de l'image, bien que. Les plus grandes étoiles de l'Univers ne naissent pas seules. Ils sont nés de nuages ​​massifs de gaz moléculaire, qui forment alors une cascade de fragments, avec de nombreux fragments donnant naissance à une étoile.

Les astronomes se sont longtemps demandé si ce mode de fragmentation de formation d'étoiles nécessitait des mécanismes physiques différents de ceux des étoiles de faible masse. Les propositions comprennent un mouvement de gaz turbulent, qui pourrait déstabiliser une région et conduire à un effondrement plus rapide, ou des champs magnétiques qui pourraient se stabiliser et retarder ainsi l'effondrement.

Les différents mécanismes devraient laisser des traces révélatrices dans les régions où se forment plusieurs étoiles. L'effondrement qui conduit à la formation d'étoiles de grande masse se déroule sur une hiérarchie de différents niveaux. Aux plus grandes échelles, la formation d'étoiles implique des nuages ​​moléculaires géants, qui se composent principalement d'hydrogène gazeux et peuvent atteindre des tailles comprises entre quelques dizaines et plus d'une centaine d'années-lumière de diamètre. Au sein de ces nuages ​​se trouvent des touffes légèrement plus denses, généralement quelques années-lumière de diamètre. Chaque touffe contient un ou plusieurs noyaux denses, moins d'un cinquième d'année-lumière de diamètre. Au sein de chaque noyau, l'effondrement conduit à la formation d'une seule étoile ou de plusieurs étoiles. Ensemble, les étoiles produites dans les noyaux d'un seul amas formeront un amas d'étoiles.

Échelles révélatrices de fragmentation

Les échelles de cette fragmentation à plusieurs niveaux dépendent des mécanismes impliqués. Le modèle le plus simple peut être écrit en utilisant pas plus que la physique du lycée :un gaz parfait a une pression qui dépend de sa température et de sa densité. Dans un nuage de gaz simplifié, supposée avoir une densité constante, cette pression doit être suffisamment forte partout pour équilibrer la force de gravité (donnée par la loi de gravité de Newton) - même au centre du nuage, où la poussée induite par la gravitation vers l'intérieur de toute la matière environnante est la plus forte. Notez cette condition, et vous constaterez qu'un tel nuage à densité constante ne peut avoir qu'une taille maximale. Si un nuage est plus grand que ce maximum, qui s'appelle la longueur Jeans, le nuage va se fragmenter et s'effondrer.

La fragmentation des jeunes amas massifs est-elle vraiment dominée par ces processus relativement simples ? Cela n'a pas besoin d'être, et certains astronomes ont construit des scénarios beaucoup plus complexes, qui incluent l'influence du mouvement turbulent des gaz et des lignes de champ magnétique. Ces mécanismes supplémentaires modifient les conditions de stabilité des nuages, et augmentent généralement les échelles des différents types de fragments.

Différentes prédictions pour la taille des nuages ​​offrent un moyen de tester le scénario de physique simple par rapport à ses concurrents plus complexes. C'est ce qu'Henrik Beuther et ses collègues ont entrepris de faire lorsqu'ils ont observé la région de formation d'étoiles G351.77-0.54 dans la constellation australe du Scorpion (Le Scorpion). Des observations antérieures avaient indiqué que dans cette région, la fragmentation pourrait être prise en flagrant délit. Mais aucune de ces observations n'avait été assez puissante pour montrer la plus petite échelle d'intérêt pour répondre à la question des échelles de fragmentation :les noyaux protostellaires, sans parler de leur sous-structure.

ALMA prend le look le plus détaillé à ce jour

Beuther et ses collègues ont pu faire plus. Ils ont utilisé l'observatoire ALMA dans le désert d'Atacama au Chili. ALMA combine les observations simultanées de jusqu'à 66 radiotélescopes pour atteindre une résolution allant jusqu'à 20 millisecondes d'arc, qui permet aux astronomes de discerner des détails plus de dix fois plus petits qu'avec n'importe quel radiotélescope précédent, et à une sensibilité inégalée - une combinaison qui a déjà conduit à un certain nombre d'observations révolutionnaires également dans d'autres domaines.

Beuther et ses collègues ont utilisé ALMA pour étudier la région de formation d'étoiles de masse élevée G351.77-0.54 jusqu'à des échelles inférieures à 50 unités astronomiques (en d'autres termes, moins de 50 fois la distance moyenne entre la Terre et le Soleil). Comme le dit Beuther :« C'est un excellent exemple de la façon dont la technologie stimule le progrès astronomique. Nous n'aurions pas pu obtenir nos résultats sans la résolution spatiale et la sensibilité sans précédent d'ALMA. »

leurs résultats, avec des études antérieures du même nuage à plus grande échelle, indiquent que la physique des gaz thermiques gagne la journée, même lorsqu'il s'agit d'étoiles très massives :à la fois la taille des amas dans le nuage et, comme le montrent les nouvelles observations, des noyaux au sein des touffes et même de certaines sous-structures de noyaux sont tels que prédits par les calculs de longueur de Jeans, sans avoir besoin d'ingrédients supplémentaires. Beuther commente :« Dans notre cas, la même physique fournit une description uniforme. La fragmentation de la plus grande à la plus petite échelle semble être régie par les mêmes processus physiques."

Petits disques d'accrétion :un nouveau défi

La simplicité est toujours une aubaine pour les descriptions scientifiques. Cependant, les mêmes observations ont également fourni une découverte qui gardera les astronomes sur leurs gardes collectifs. En plus d'étudier la fragmentation, Beuther et al. avait cherché à démêler la structure des étoiles naissantes ("protostars") dans le nuage. Les astronomes s'attendent à ce qu'une telle protoétoile soit entourée d'un disque de gaz tourbillonnant, appelé le disque d'accrétion. Du disque intérieur de la jante, le gaz tombe sur l'étoile en croissance, augmenter sa masse. En outre, les champs magnétiques produits par le mouvement du gaz ionisé et le gaz lui-même interagissent pour produire des flux étroitement focalisés appelés jets, qui projettent une partie de la matière dans l'espace perpendiculairement à ce disque. La lumière submillimétrique de ces régions porte des signes révélateurs (« élargissement Doppler des raies spectrales ») du mouvement de la poussière, qui à son tour trace le mouvement du gaz. Mais là où Beuther et ses collaborateurs avaient espéré une signature claire d'un disque d'accrétion, au lieu, il a trouvé principalement la signature des jets, coupant un chemin relativement lisse à travers le gaz environnant. Évidemment, les disques d'accrétion sont encore plus petits que ce que les astronomes avaient prévu – un défi pour les futures observations à une résolution spatiale encore plus grande.