Les astrophysiciens Els Peeters et Jan Cami de l'Université Western et les chercheurs postdoctoraux et diplômés Ryan Chown, Ameek Sidhu, Baria Khan, Sofia Pasquini et Bethany Schefter ont été parmi les premiers scientifiques au monde à utiliser le télescope spatial James Webb (Webb) pour la recherche scientifique, et l'accent était mis sur la formation des étoiles.

"Le processus de formation des étoiles est compliqué car les régions de formation d'étoiles contiennent des étoiles de masses variables à différents stades de leur développement tout en étant encore intégrées dans leur nuage natal et parce que de nombreux processus physiques et chimiques différents sont en jeu et s'influencent mutuellement", a déclaré Peeters. , chercheur principal du programme PDRs4All JWST Early Release Science (ID1288) et membre du corps professoral de l'Institut Western pour l'exploration de la Terre et de l'espace.

La formation d'étoiles est un domaine très actif en astrophysique théorique et observationnelle, et Webb s'est avéré jouer un rôle clé dans la compréhension de ces processus.

"Nous ne comprenons pas encore complètement comment ces processus sculptent ou détruisent les disques de formation des planètes, ni quand et comment ces disques sont ensemencés de produits chimiques importants pour la vie. C'est pourquoi nous faisons ce que nous faisons", a déclaré Cami, directeur de Western's. Hume Cronyn Memorial Observatory et membre principal de PDRs4All.

Peeters codirige le consortium international PDRs4All avec Emilie Habart de l'Université Paris-Saclay, France et Olivier Berné de l'Université de Toulouse, France. Le consortium PDRs4All est composé de plus de 120 chercheurs du monde entier, dont des astronomes, des physiciens et des chimistes dont les expertises complémentaires leur permettent d'exploiter pleinement la mine d'or des données obtenues avec Webb, le télescope le plus grand et le plus puissant jamais lancé dans l'espace.

PDRs4All a dirigé Webb vers la barre d'Orion, au plus profond de la célèbre nébuleuse d'Orion, et a collecté un trésor d'images et de données spectroscopiques. L'objectif principal du programme est de dévoiler les processus physiques et chimiques détaillés pertinents pour la formation des étoiles et des planètes.

Avec leurs collaborateurs internationaux, Peeters et Cami ont publié une série de six articles dans la revue Astronomy &Astrophysics. qui présente un aperçu de leur travail à ce jour et la première plongée en profondeur dans les moindres détails de ce qui se passe à l'Orion Bar.

Est-ce mon meilleur côté ?

De nombreux processus clés dans l'espace interstellaire se produisent dans ce que l'on appelle les régions de photodissociation (PDR, d'où le nom du programme PDRs4All), où la physique et la chimie sont entièrement déterminées par l'interaction entre le rayonnement UV avec les gaz et la poussière. L'Orion Bar est le PDR le plus proche de Webb et offre son côté le plus utile et le plus photogénique pour étudier ces processus à petite échelle physique.

"Les données sont incroyables et serviront de référence pour la recherche en astrophysique dans les décennies à venir", a déclaré Peeters. "Jusqu'à présent, nous n'avons exploré qu'une infime fraction des données, ce qui a déjà abouti à plusieurs découvertes surprenantes et majeures."

Au cours de la dernière année, PDRs4All a publié trois études majeures publiées dans les revues Nature , Astronomie de la nature et Science .

"J'ai eu le plaisir absolu d'étudier en détail les étonnantes images de Webb", a déclaré Habart, qui a dirigé la première nouvelle étude publiée aujourd'hui (14 mai) dans Astronomy &Astrophysics. . "Les images sont incroyablement belles et complexes ; il est facile de comprendre pourquoi tant de gens dans le monde ont été époustouflés lorsqu'ils les ont vues pour la première fois."

Avec une masse 2 000 fois supérieure à celle du Soleil et visible à l'œil nu, la nébuleuse d'Orion est la région de formation d'étoiles massives la plus proche et est donc l'un des objets les plus scrutés et photographiés de la Voie Lactée, et l'un des objets préférés du public. objets dans le ciel nocturne.

Les images de Webb ne ressemblent à aucun autre ensemble, époustouflantes par les détails incroyables qu'elles révèlent, affichant toutes sortes de filaments et de crêtes de différentes formes et couleurs, parsemés de plusieurs petits disques formant des planètes.

Dans la nébuleuse d'Orion se trouve la barre d'Orion, une caractéristique pointue, diagonale, en forme de crête, composée de gaz et de poussière. La barre d'Orion est essentiellement le bord d'une bulle astronomiquement grande creusée par certaines des étoiles massives qui alimentent la nébuleuse.

"Les mêmes détails structurels qui donnent à ces images leur attrait esthétique révèlent une structure plus complexe que ce que nous pensions au départ, avec des gaz et de la poussière au premier plan et à l'arrière-plan rendant l'analyse un peu plus difficile.

"Mais ces images sont d'une telle qualité que nous pouvons bien séparer ces régions et révéler que le bord de la barre d'Orion est très raide, comme un immense mur, comme le prédisent les théories", a déclaré Habart.

Peeters, qui a également été un acteur majeur de la nouvelle série Astronomy &Astrophysics études, ont utilisé les données spectroscopiques proche infrarouge de la barre d'Orion pour amener la recherche à un tout nouveau niveau.

"Ces images sont tellement détaillées que nous les examinerons pendant de nombreuses années", a-t-elle déclaré.

Les observations spectroscopiques divisent la lumière en fonction de la couleur et révèlent de nombreux pics nets qui sont des empreintes digitales de divers composés chimiques dans la lumière infrarouge collectée.

Une analyse minutieuse de ces empreintes digitales permet aux chercheurs d'étudier la composition chimique de la nébuleuse, mais il y a bien plus encore :différentes combinaisons de ces empreintes digitales peuvent être utilisées pour mesurer la température locale, la densité et l'intensité du champ de rayonnement, et en les mesurant pour pour chaque pixel, Peeters a créé des cartes de la façon dont ces quantités changent dans la barre Orion.

"L'ensemble de données spectroscopiques couvre une zone du ciel beaucoup plus petite que les images, mais il contient une tonne d'informations supplémentaires. Une image vaut mille mots, mais nous, astronomes, ne disons qu'en plaisantant à moitié qu'un spectre vaut mille images, " a déclaré Peeters, qui a mesuré pas moins de 600 empreintes spectroscopiques et les a utilisées pour améliorer considérablement les modèles PDR existants.

Les données résultantes et les modèles PDR améliorés ont été présentés dans la deuxième étude dans Astronomy &Astrophysics. , dirigé par Peeters.

« Ce qui rend l'Orion Bar vraiment unique, c'est sa géométrie de pointe, qui nous offre un siège au bord du ring pour étudier dans les moindres détails les différents processus physiques et chimiques qui se produisent lorsque nous passons de la région ionisée très exposée et dure à la région beaucoup plus exposée. régions protégées où le gaz moléculaire peut se former", a déclaré Cami.

"Cet article est un tour de force et a demandé un véritable effort herculéen pour le réaliser, et c'est un pas en avant dans notre compréhension de la façon dont les changements dans l'environnement physique affectent la chimie et vice versa."

Laisser les détails dans la poussière

Une fois les conditions physiques cartographiées, l’équipe PDRs4All s’est concentrée sur un autre problème :celui des émissions de poussières. Des observations antérieures avaient déjà révélé une forte variation dans l'émission de poussière dans la barre d'Orion, mais l'origine de ces variations n'était pas claire et présentait un mystère qui a longtemps déconcerté les astrophysiciens.

"Les données hyperspectrales de Webb contiennent tellement plus d'informations que les observations précédentes, qu'elles indiquent clairement que l'atténuation du rayonnement par la poussière et la destruction efficace des plus petites particules de poussière sont la cause sous-jacente de ces variations", a déclaré l'Institut d'Astrophysique. Meriem Elyajouri, chercheuse postdoctorale spatiale.

Elyajouri a modélisé l'émission de poussière sur le bord éclairé du bar Orion et a mené une troisième étude décrivant les découvertes de l'équipe.

Les trois articles restants traitent tous de l'émission de grosses molécules carbonées appelées hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), qui représentent l'un des plus grands réservoirs de matières carbonées de l'univers. Les HAP contiennent jusqu'à 20 % de tout le carbone cosmique, ce qui les rend importants pour nos propres racines cosmiques.

"Nous étudions ce qui arrive aux molécules carbonées bien avant que le carbone ne pénètre dans notre corps", a déclaré Cami.

L'émission de HAP est généralement très brillante et les molécules de HAP sont incroyablement robustes et résilientes.

"Il n'est donc pas surprenant qu'ils se révèlent répandus dans tout l'univers et s'étendent sur de si vastes distances cosmologiques. Les étudier en détail dans des régions proches telles que la barre d'Orion où nous avons une bonne compréhension de l'environnement physique et chimique local est il est donc crucial d'interpréter les observations de galaxies lointaines", a déclaré Sidhu, un ancien chercheur postdoctoral occidental.

Les données Webb montrent les bandes d'émission de HAP avec des détails exquis et révèlent que les caractéristiques d'émission changent en raison du rayonnement.

"C'est vraiment un embarras de richesse", a déclaré Peeters. "Même si l'on pense que ces grosses molécules sont très robustes, nous avons constaté que le rayonnement UV modifie les propriétés globales des molécules à l'origine de l'émission."

Le rayonnement UV brise en fait certaines des plus petites molécules de carbone et modifie la façon dont les plus grosses rayonnent.

"En fait, vous constatez des changements à mesure que vous passez de cet environnement très hostile à des environnements plus protégés", a déclaré Ryan Chown, ancien chercheur postdoctoral occidental, qui a dirigé la quatrième étude.

L'apprentissage automatique se multiplie

Les résultats de Chown sont de nouvelles découvertes importantes, mais ils étaient basés sur l'analyse de seulement cinq petites régions du Bar d'Orion qui sont représentatives des différents environnements du Bar.

Sofia Pasquini, une étudiante à la maîtrise supervisée par Peeters, a utilisé des techniques d'apprentissage automatique pour analyser les émissions de HAP dans l'ensemble des données comprenant plusieurs milliers de spectres. Elle a également découvert que dans les régions où le rayonnement UV est plus important, les HAP sont généralement plus gros, probablement parce que les plus petits sont détruits. C'est la base de la cinquième étude.

"Les techniques d'apprentissage automatique utilisées par Sofia pour interpréter les données extraites de milliers de pixels produisent essentiellement le même résultat que celui que nous avons obtenu en utilisant les cinq régions représentatives en utilisant des méthodes plus traditionnelles", a déclaré Peeters. "Cela nous donne une grande confiance dans le fait que notre interprétation est plus généralement valable et donc une conclusion plus puissante."

Il s’avère qu’il n’y a pas que des changements dans la taille des HAP. Ilane Schroetter, chercheuse postdoctorale à l'Université de Toulouse, en France, a également appliqué des techniques d'apprentissage automatique aux données. Ses résultats, publiés dans la sixième étude, confirment l'effet du rayonnement UV sur la taille des HAP, mais révèlent également des changements très nets dans la structure des molécules.

"Ces articles révèlent une sorte de survie du plus fort au niveau moléculaire dans les environnements les plus difficiles de l'espace", a déclaré Cami.

Webb est le télescope spatial le plus puissant de l’histoire de l’humanité. Développé en partenariat avec la NASA, l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale canadienne (ASC), il possède un miroir emblématique de 6,5 mètres de large, composé d'un motif en nid d'abeille de 18 segments de miroir hexagonaux recouverts d'or et un pare-soleil à cinq couches en forme de losange de la taille d'un court de tennis.

En tant que partenaire, l'ASC reçoit une part garantie du temps d'observation de Webb, ce qui fait des scientifiques canadiens parmi les premiers à étudier les données recueillies par le télescope spatial le plus avancé jamais construit.