Le gaz moléculaire dans les galaxies est organisé en une hiérarchie de structures. La matière moléculaire dans les nuages ​​de gaz moléculaires géants se déplace le long de réseaux complexes de voies de gaz filamenteuses vers les centres encombrés de gaz et de poussière où elle est comprimée en étoiles et planètes, un peu comme les millions de personnes qui se rendent dans les villes pour travailler dans le monde.

Pour mieux comprendre ce processus, une équipe d'astronomes dirigée par Jonathan Henshaw de l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) a mesuré le mouvement du gaz s'écoulant des échelles des galaxies jusqu'aux échelles des amas de gaz dans lesquels se forment les étoiles individuelles. Leurs résultats montrent que le gaz circulant à travers chaque échelle est dynamiquement interconnecté :alors que la formation des étoiles et des planètes se produit aux plus petites échelles, ce processus est contrôlé par une cascade de flux de matière qui commencent à des échelles galactiques. Ces résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue scientifique Astronomie de la nature .

Le gaz moléculaire dans les galaxies est mis en mouvement par des mécanismes physiques tels que la rotation galactique, explosions de supernova, champs magnétiques, turbulence, et la gravité, façonner la structure du gaz. Comprendre comment ces mouvements ont un impact direct sur la formation des étoiles et des planètes est difficile, car cela nécessite de quantifier le mouvement du gaz sur une vaste plage d'échelle spatiale, puis relier ce mouvement aux structures physiques que nous observons. Les installations astrophysiques modernes cartographient désormais régulièrement de vastes zones du ciel, avec des cartes contenant des millions de pixels, chacun avec des centaines à des milliers de mesures de vitesse indépendantes. Par conséquent, mesurer ces mouvements est un défi à la fois scientifique et technologique.

Afin de relever ces défis, une équipe internationale de chercheurs dirigée par Jonathan Henshaw au MPIA à Heidelberg a entrepris de mesurer les mouvements du gaz dans une variété d'environnements différents à l'aide d'observations du gaz dans la Voie lactée et une galaxie voisine. Ils détectent ces mouvements en mesurant la variation apparente de la fréquence de la lumière émise par les molécules provoquée par le mouvement relatif entre la source de lumière et l'observateur; un phénomène connu sous le nom d'effet Doppler. En appliquant un nouveau logiciel conçu par Henshaw et Ph.D. étudiant Manuel Riener (co-auteur de l'article; également à MPIA), l'équipe a pu analyser des millions de mesures. "Cette méthode nous a permis de visualiser le milieu interstellaire d'une nouvelle manière, " dit Henshaw.

Les chercheurs ont découvert que les mouvements de gaz moléculaire froid semblent fluctuer en vitesse, rappelant en apparence des vagues à la surface de l'océan. Ces fluctuations représentent le mouvement du gaz. "Les fluctuations elles-mêmes n'étaient pas particulièrement surprenantes, nous savons que le gaz se déplace, " dit Henshaw. Steve Longmore, co-auteur de l'article, basé à l'Université John Moores de Liverpool, ajoute, "Ce qui nous a surpris, c'est la similitude de la structure de vitesse de ces différentes régions. Peu importait que nous regardions une galaxie entière ou un nuage individuel dans notre propre galaxie, la structure est plus ou moins la même."

Pour mieux comprendre la nature des flux de gaz, l'équipe a sélectionné plusieurs régions pour un examen approfondi, en utilisant des techniques statistiques avancées pour rechercher les différences entre les fluctuations. En combinant une variété de mesures différentes, les chercheurs ont pu déterminer comment les fluctuations de vitesse dépendent de l'échelle spatiale.

"Une caractéristique intéressante de nos techniques d'analyse est qu'elles sont sensibles à la périodicité, " explique Henshaw. " S'il y a des motifs répétitifs dans vos données, tels que des nuages ​​moléculaires géants également espacés le long d'un bras en spirale, nous pouvons identifier directement l'échelle sur laquelle le motif se répète. » L'équipe a identifié trois voies de gaz filamenteuses, lequel, malgré le traçage d'échelles très différentes, tous semblaient montrer une structure à peu près équidistante le long de leurs crêtes, comme des perles sur une ficelle, qu'il s'agisse de nuages ​​moléculaires géants le long d'un bras spiral ou de minuscules "noyaux" formant des étoiles le long d'un filament.

L'équipe a découvert que les fluctuations de vitesse associées à une structure équidistante présentaient toutes un schéma distinctif. "Les fluctuations ressemblent à des ondes oscillant le long des crêtes des filaments, ils ont une amplitude et une longueur d'onde bien définies, " dit Henshaw en ajoutant, "L'espacement périodique des nuages ​​moléculaires géants à grande échelle ou des noyaux individuels de formation d'étoiles à petite échelle est probablement le résultat de l'instabilité gravitationnelle de leurs filaments parents. Nous pensons que ces flux oscillatoires sont la signature du gaz s'écoulant le long des bras spiraux. ou convergeant vers les pics de densité, fournissant un nouveau carburant pour la formation d'étoiles."

En revanche, l'équipe a découvert que les fluctuations de vitesse mesurées dans les nuages ​​moléculaires géants, à des échelles intermédiaires entre des nuages ​​entiers et les minuscules noyaux qu'ils contiennent, ne montre aucune échelle caractéristique évidente. Diederik Kruijssen, co-auteur de l'article basé à l'Université de Heidelberg explique :« Les structures de densité et de vitesse que nous voyons dans les nuages ​​moléculaires géants sont « sans échelle », car les flux gazeux turbulents générant ces structures forment une cascade chaotique, révélant des fluctuations de plus en plus petites lorsque vous zoomez, un peu comme un brocoli romanesco, ou un flocon de neige. Ce comportement sans échelle a lieu entre deux extrêmes bien définis :la grande échelle de l'ensemble du cloud, et la petite échelle des noyaux formant des étoiles individuelles. Nous constatons maintenant que ces extrêmes ont des tailles caractéristiques bien définies, mais entre eux règne le chaos."

" Imaginez les nuages ​​moléculaires géants comme des mégapoles équidistantes reliées par des autoroutes, " dit Henshaw. " D'un point de vue à vol d'oiseau, la structure de ces villes, et les voitures et les gens qui les traversent, apparaît chaotique et désordonné. Cependant, lorsque nous zoomons sur des routes individuelles, nous voyons des gens qui ont voyagé de loin entrer dans leurs immeubles de bureaux individuels d'une manière ordonnée. Les immeubles de bureaux représentent les noyaux de gaz denses et froids d'où naissent les étoiles et les planètes."