À l'occasion du 50e anniversaire de la découverte d'un lien étroit entre la formation d'étoiles dans les galaxies et leur rayonnement infrarouge et radio, des chercheurs de l'Institut Leibniz d'astrophysique de Potsdam (AIP) ont maintenant déchiffré la physique sous-jacente. À cette fin, ils ont utilisé de nouvelles simulations informatiques de la formation des galaxies avec une modélisation complète des rayons cosmiques.

Pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies comme notre Voie lactée, il est particulièrement important de connaître la quantité d'étoiles nouvellement formées dans les galaxies proches et lointaines. À cette fin, les astronomes utilisent souvent un lien entre le rayonnement infrarouge et radio des galaxies, qui a déjà été découvert il y a 50 ans :le rayonnement énergétique des jeunes étoiles massives qui se forment dans les régions les plus denses des galaxies est absorbé par les nuages ​​de poussière environnants et réémis sous forme de rayonnement infrarouge de faible énergie. Finalement, lorsque leur réserve de carburant est épuisée, ces étoiles massives explosent en supernovae à la fin de leur vie. Dans cette explosion, l'enveloppe stellaire externe est éjectée dans l'environnement, ce qui accélère quelques particules du milieu interstellaire à de très hautes énergies, donnant naissance à des rayons dits cosmiques. Dans le champ magnétique de la galaxie, ces particules rapides, se déplaçant presque à la vitesse de la lumière, émettent un rayonnement radio de très faible énergie avec une longueur d'onde de quelques centimètres à quelques mètres. Grâce à cette chaîne de processus, les étoiles nouvellement formées, le rayonnement infrarouge et le rayonnement radio des galaxies sont étroitement liés.

Bien que cette relation soit souvent utilisée en astronomie, les conditions physiques exactes ne sont pas encore claires. Les tentatives précédentes pour l'expliquer ont généralement échoué dans une prédiction :si les rayons cosmiques à haute énergie sont effectivement responsables du rayonnement radio de ces galaxies, la théorie prédit des spectres radio très raides - émission élevée à basses fréquences radio - qui ne correspondent pas aux observations. Pour aller au fond de ce mystère, une équipe de chercheurs de l'AIP a, pour la première fois, simulé de manière réaliste ces processus de formation d'une galaxie sur un ordinateur et calculé les spectres d'énergie des rayons cosmiques. Leurs résultats sont publiés dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

"Lors de la formation du disque galactique, les champs magnétiques cosmiques sont amplifiés afin qu'ils correspondent aux forts champs magnétiques galactiques observés", explique le professeur Christoph Pfrommer, responsable de la section Cosmologie et astrophysique des hautes énergies à l'AIP. Lorsque des particules de rayons cosmiques dans des champs magnétiques émettent un rayonnement radio, elles perdent une partie de leur énergie en se rendant jusqu'à nous. En conséquence, le spectre radio devient plus plat aux basses fréquences. Aux hautes fréquences, en plus de l'émission radio des rayons cosmiques, l'émission radio du milieu interstellaire, qui a un spectre plus plat, y contribue également. La somme de ces deux processus peut donc parfaitement expliquer le rayonnement radio plat observé de toute la galaxie ainsi que l'émission des régions centrales.

Cela explique également le mystère de la raison pour laquelle les rayonnements infrarouge et radio des galaxies sont si bien liés. "Cela nous permet de mieux déterminer le nombre d'étoiles nouvellement formées à partir de l'émission radio observée dans les galaxies, ce qui nous aidera à mieux comprendre l'histoire de la formation des étoiles dans l'univers", conclut Maria Werhahn, Ph.D. étudiant à l'AIP et premier auteur d'une des études. + Explorer plus loin

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