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Astrophysique

L'amas de galaxies SDSS J1531+3414 sous l'effet d'une lentille gravitationnelle photographié en lumière RGB et IR par le HST en 2013.

Les découvertes récentes (I)

Avec l'avènement de l'astronomie spatiale, les astrophysiciens ont eu l'opportunité d'étudier l'univers à travers tout le spectre des rayonnements, des ondes radios aux rayons X et gamma en passant par le spectre optique et l'infrarouge notamment.

Si certaines observations ont renforcé les théories, d'autres ont forcé les astronomes à revoir leurs théories et parfois les modèles existants. Nous verrons que des validations et des remises en questions similaires se sont produites en cosmologie.

Concernant les galaxies et les autres objets du ciel profond, devant l'accumulation des découvertes parfois en désaccord avec les hypothèses de travail ou contredisant d'autres observations, les astrophysiciens ont bien dû constater que l'univers était loin d'être le lieu sombre et figé pour l'éternité qu'on imaginait encore il y a un siècle.

Depuis quelques décennies, les astrophysiciens ont découvert que non seulement l'univers est peuplé d'une grande variété d'astres plus ou moins calmes ou turbulents dont on commence seulement à comprendre l'évolution mais également des substances a priori inconnues comme la matière sombre.

Ce sont quelques unes de ces découvertes récentes faites en astrophysique que nous allons décrire. Certaines d'entre elles feront probablement l'objet de nouveaux articles dès que le sujet se sera étoffé, d'autres ayant déjà été incorporées dans différents articles. En complément, un article a été consacré aux découvertes de Gaia concernant la Voie Lactée.

Précisons que toutes les distances mentionnées dans cet article déduites des décalages Doppler (z) sont calculées sur base d'un modèle d'univers plat comme le confirma les résultats du programme H0LiCOW et en tenant compte d'une constante de Hubble Ho=69.6 km/s/Mpc. Par rapport à d'autres modèles, si la différence de distance est peu sensible pour les galaxies proches, elle dépasse 20% à partir de z~2.

Les ORC (Odd Radio Circle), d'étranges ronds dans le ciel

En septembre 2019, Anna Kapinska, une assistante de Ray Norris à l'Université de Western Sydney découvrit un étrange objet radio dans les données du sondage du continuum radio d'ASKAP (Australian Square Kilometer Array Pathfinder) à 944 MHz. En raison de sa forme inhabituelle, il fut nommé ORC ("Odd Radio Circle" signifiant Etrange Cercle Radio). 

L'installation radioastronomique ASKAP gérée par le CSIRO installée à l'Observatoire de Radioastronomie Murchison dans l'ouest de l'Australie. Document CSIRO.

Cette découverte fut réalisée dans le cadre du sondage pilote "Evolutionary Map of the Universe" (EMU) qui vise à recenser les radiosources grâce au ASKAP. L'installation radioastronomique peut couvrir une zone d'environ 270° carrés avec une sensibilité efficace d'environ 30 µJy par faisceau, avec une résolution spatiale d'environ 12". Les chercheurs estiment que EMU pourrait détecter quelque 70 millions de radiosources, contre les 2.5 millions cataloguées à ce jour grâce au sondage "VLA Sky Survey" du NRAO (NVSS).

Peu après, deux autres radiosources, ORC-2 et ORC-3, très proches l'une de l'autre, furent découvertes dans les données d'ASKAP.

Par la suite, Norris et ses collègues s'aperçurent que ORC-1 et ORC-2 avaient déjà été détectés à 88-154 MHz par le MWA (Murchison Widefield Array).

Des observations de suivi de ORC-1 et ORC-2 furent ensuite réalisées avec l'ATCA (Australia Telescope Compact Array) qui détecta les deux objets à 2.1 GHz.

Puis ORC-4 fut découvert dans des archives de mars 2013 enregistrées à 325 MHz par le radiotélescope GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) installé en Inde. S'il est similaire aux autres ORC, il s'en diffère par sa source centrale d'émission.

La découverte des ORC fit alors l'objet d'un premier article publié en préimpression sur "arXiv" le 26 juin 2020 et révisé le 30 novembre 2020 par l'équipe de Ray Norris en attendant sa publication dans la revue "Nature Astronomy".

Ensuite ORC-5 alias ORC J0102-2450 fut découvert en 2021 par ASKAP à 944 MHz. Il est superposé ou associé à la galaxie elliptique DES J010224.33–245039.5 située à z ~0.27 soit plus de 3.1 milliards d'années-lumière. Cette galaxie représente une masse stellaire estimée à 1011 M et abriterait un trou noir supermassif d'environ 750 millions de masses solaires. Mais on ignore pour l'instant s'il existe une interaction entre ORC-5 et cette galaxie.

Comme le montre la carte du ciel présentée à droite, ORC-5 se situe à seulement 3.1° de NGC 253, une belle galaxie spirale de Seyfert située dans le Sculpteur, de magnitude 7.2 et mesurant ~30'x7'. Elle fut justement étudiée aux basses fréquences de 27 et 227 MHz par Kapinska en 2017 au moyen du MWA mais qui ne s'attendait pas à revenir dans cette zone pour découvrir un ORC ! Comme quoi, une découverte tient parfois à un léger décalage de fréquence...

Deux radiosources que tout sépare et que tout rapproche dans le sens ou ORC-5 (ORC J0102-2450) est séparée de seulement 3.1° de la galaxie de Seyfert NGC 253. Document T.Lombry/Aladin.

L'étude de ORC J0102-2450 fit l'objet d'un article publié en préimpression sur "arXiv" le 27 avril 2021 par l'équipe de Bärbel S. Koribalski de l'Australian Telescope National Facility, en attendant sa publication dans la revue "Nature Astronomy". Ces radiosources firent également l'objet d'un article de vulgarisation publié sur le site Space Australia le 1 mai 2021.

Les ORC ressemblent à d'immenses anneaux ou à des disques d'émissions radio diffuses qui, jusqu'à présent, n'ont pas été détectés à d'autres longueurs d'ondes; ils sont invisibles en optique, en infrarouge et en rayons X.

Autre bizarrerie, les ORC se situent à des latitudes galactiques élevées, à bonne distance du plan galactique.

ORC-1 mesure environ 80" de diamètre et est pratiquement circulaire. Selon Norris, "Il présente une surface remplie avec des taches plus brillantes en périphérie. L'analyse du flux radio et le calcul de son indice spectral suggèrent qu'il s'agirait d'une vieille population d'électrons qu'on retrouve souvent dans les SNR, les halos des amas et les radiogalaxies mourantes". Curieusement, ORC-1 semble associé à une petite galaxie elliptique située en son centre mais l'interaction éventuelle doit encore être confirmée.

ORC-2 mesure également environ 80" de diamètre et ressemble à ORC-1 mais présente une structure radio différente avec deux puissants composants dans le secteur nord-est.

ORC-3 est situé juste à l'est de ORC-2 et mesure environ 90" de diamètre. Il est détectable par ASKAP mais est trop faible pour ATCA et MWA.

ORC-4 mesure environ 70" de diamètre soit 978000 années-lumière; il est presque deux fois plus étendu que la partie visible de la Voie Lactée ! ORC-4 est marginalement détectable à 150 MHz dans le sondage TGSS du GMRT et à 1.4 GHz dans le sondage NVSS.

Etant donné que ORC-3 et ORC-4 ne présentent pas de galaxie centrale, Norris pense qu'il s'agit peut-être d'objets différents des autres ORC. A confirmer.

Enfin, ORC-5 mesure ~90" de diamètre. Selon Norris, le fait qu'il présente un arc plus brillant du côté est suggère qu'il pourrait s'agir d'une queue qui est orientée du sud-est vers le nord et donc provenir d'un objet compact invisible ou l'effet d'une interaction avec le milieu intergalactique qui reste à découvrir. Cette hypothèse pourrait aussi expliquer la stucture de ORC-1 et la présence des galaxies à proximité.

A gauche, image du continuum radio de la radiosource ORC-1 découverte en septembre 2019 dans les données d'ASKAP superposée à une image RGB composite extraite du sondage DES (Dark Energy Survey). Notez les deux galaxies brillantes près des lettres "C" et "S". Au centre, image radio de ORC-1 superposée à une image RGB de DES avec un traitement supplémentaire pour faire ressortir l'émission diffuse (en vert). On distingue une galaxie orange au centre de l'ORC. On ignore encore si elle est en interaction avec lui. A droite, une image du continuum radio de ORC-4 obtenue par le GMRT à 325 MHz superposée à une image optique du SDSS. Documents R.Norris et al./CSIRO (2020).

Les chercheurs rappellent que "plusieurs classes d'évènements transitoires, capables de produire une onde de choc sphérique, ont été récemment découvertes, telles que des sursauts radio rapides (FRB), des sursauts gamma (GRB) et les fusions d'étoiles à neutrons. Cependant, en raison de la grande taille angulaire des ORC, de tels phénomènes transitoires se seraient produits dans un lointain passé".

Selon les chercheurs, "Tous les ORC présentent au centre de leurs anneaux concentriques une galaxie elliptique". Ils estiment que ce n'est pas une coïncidence et que les ORC ayant une galaxie en leur centre peuvent être communs, ce qui pourrait les aider à mieux comprendre les mécanismes de formation de ces radiosources.

Selon Koribalski et ses collègues : "A première vue, les ORC ressemblent à des rémanents de supernova (SNR) et pourraient donc être le résultat d'une onde de choc géante engendrée par un évènement transitoire (par exemple, un trou noir supermassif binaire ayant mergé, une hypernova ou un sursaut de rayons gamma remontant à plusieurs millions d'années".

"Il est également possible que les ORC représentent une nouvelle catégorie d'un phénomène connu, comme les jets d'une radiogalaxie ou d'un blazar lorsqu'ils sont vus de bout en bout, dans le 'tonneau' du jet. Alternativement, ils peuvent représenter un rémanent d'un précédent flux émergeant d'une radiogalaxie".

Dans un article non validé publié sur "arXiv" en 2020, deux scientifiques russes ont même suggéré que les ORC pourraient être les "bouches" de trous de vers. Actuellement aucune hypothèse n'est écartée (ou peut-être juste le trou de ver très spéculatif) et les radioastronomes recherchent d'autres ORC pour les vérifier.

A gauche, image de ORC-2 et ORC-3 reconstruite à partir du continuum radio d'ASKAP à 944 MHz lors du sondage pilote EMU, avec un traitement supplémentaire pour souligner l'émission diffuse. A droite, le continuum radio enregistré par ASKAP de la radiosource ORC-5 superposé à une image RGB extraite du sondage DES (Dark Energy Survey). Les trois inserts sont des images DES des trois galaxies détectées dans le champ avec leurs décalages Doppler photométriques moyens (en haut, la galaxie d'arrière-plan; au milieu, la galaxie centrale; en bas la galaxie du sud-est). Documents R.Norris et al./CSIRO (2021) et B.S.Koribalski et al./CSIRO (2021).

Selon Norris, "Nous en avons trouvé une poignée dans 300° carrés de ciel, et nous nous attendons à ce qu'ils soient répartis plus ou moins uniformément dans le ciel, ce qui signifie qu'il y en a probablement environ 500 à 1000 en attente d'être découverts". Les chercheurs ont donc sollicité leurs collègues pour les détecter. Depuis ces découvertes, la bande de fréquences comprise entre 800 et 1088 MHz est réservée à la recherche des ORC.

Norris conclut : "Ces cercles dans l’espace ne se voient que dans des longueurs d'onde radio et sont probablement composés de nuages d’électrons. Mais pourquoi ne voyons-nous rien dans les longueurs d'ondes lumineuses visibles ? Nous ne savons pas, mais trouver un puzzle comme celui-ci est le rêve de tout astronome".

Découverte d'un épais disque de molécules sombres dans la Voie Lactée

Grâce au radiotélescope GBT (Green Bank Telescope) de 100 m de diamètre, des astronomes ont découvert une nouvelle structure massive dans la Voie Lactée. Les résultats de cette étude furent publiés dans "The Astrophysical Journal" en 2021 par le doctorant Michael P. Busch de l'Université Johns Hopkins et ses collègues.

La structure à la forme d'un disque épais (-200 pc < z < 200 pc) diffus  et très faible (Tp < 10 mK) de gaz moléculaire "sombre" qui s'étend vers la périphérie de la Galaxie. Des indices de son existence avaient déjà été enregistrés en 2005, lorsque les astronomes ont découvert un excès de rayonnement cosmique d'origine inconnue émanant du disque de la Voie Lactée.

Le gaz est qualifié de "sombre" car les molécules sont difficiles à détecter dans le milieu interstellaire. Il est principalement composé d'hydrogène moléculaire (H2). Bien que ce gaz soit le plus abondant dans l'Univers, il échappe facilement à la détection dans ces régions HI car aux basses températures régnant dans l'espace interstellaire, les atomes d'hydrogène neutre (non ionisé) n'émettent ni n'absorbent de lumière. En revanche, on peut tracer la présence des nuages H2 à 21 cm de longueur d'onde.

L'émission à raie étroite typique de la molécule OH des bras spiraux de la Voie Lactée (1 à 5) et la nouvelle structure étendue et faible de molécules OH découverte dans et entre les bras spiraux (5). Document NSF/GBO/P.Vosteen (2021).

Etant donné que le rayonnement radioélectrique pénètre facilement les nuages interstellaires de poussières qui obstruent les observations optiques, depuis des décennies il permet aux radioastronomes de cartographier la structure spirale de la Voie Lactée. Mais ce signal présente une fréquence et une énergie si basses qu'il nécessite des radiotélescopes très sensibles pour être détecté et cartographié en détail.

Un moyen plus simple de détecter l'hydrogène moléculaire est de rechercher les signaux d'autres molécules connues pour se mélanger avec lui en petites quantités. Ces molécules "traceurs" sont notamment le monoxyde de carbone (CO) et l'hydroxyle (OH).

C'est en étudiant l'émission OH que l'astronome Ron Allen du département de physique et d'astronomie de l'Université Johns Hopkins, découvrit en 2012 des indices sur la provenance des rayons cosmiques.

En 2015, Allen, qui est malheureusement décédé en août 2020, avait utilisé la raie du CO pour démontrer à grande échelle que ces molécules représentaient des composantes majeures de la structure de la Voie Lactée, mais il fallait confirmer ce relevé en mesurant l'OH. Allen et le doctorant Philip Engelke, alors en poste à l'Université Johns Hopkins, publièrent un certain nombre d'articles montrant que l'hydroxyle était tout aussi utile que le CO pour rechercher le gaz moléculaire galactique.

Quelques années plus tard, Engelke remarqua une émission plus intense qu'il pensa correspondre au bras extérieur de la Voie Lactée. Des observations de suivi ont révélé une structure étendue et faible dans toute la ligne de visée, une source possible des mystérieux rayons cosmiques découverts plus tôt.

Après les vérifications d'usage pour exclure toute erreur instrumentale, en 2018 Allen, Engelke et le doctorant Michael Busch ont examiné le signal de la structure massive pendant 100 heures avec le radiotélescope de 20 m de Green Bank. Puis, en 2019, 100 heures supplémentaires d'observations au GBT ont permis de mesurer des points supplémentaires le long du disque de la Galaxie, révélant que la caractéristique suit l'étendue et la forme d'autres composantes connues de la structure galactique. À ce stade, les chercheurs étaient convaincus que la structure massive était bien réelle. Il s'avère que ce disque épais de gaz moléculaire diffus est significativement plus étendu dans la partie extérieure de la Voie Lactée que prévu.

Selon les chercheurs, "L'existence de cette structure massive a des implications pour les théories de la formation des étoiles, ainsi que pour la structure, la composition et la masse totale du milieu interstellaire."

DESI Legacy Imaging Survey DR9 : plus d'un milliard de galaxies

La neuvième et dernière publication (DR9) des données de l'ambitieux sondage DESI Legacy Imaging Survey réalisé avec l'instrument DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) a été publiée lors du meeting de janvier 2021 de l'American Astronomical Society.

Le résultat est la création de la plus grande carte bidimensionnelle du ciel en termes de couverture du ciel, de sensibilité et du nombre total de galaxies cartographiées. La carte couvre la moitié du ciel et comprend plus de 1.6 milliard de galaxies et plusieurs millions de quasars.

A voir : DESI Legacy Imaging Survey (DR9, jan 2021)

(carte contenant plus d'un milliard de galaxies)

A gauche, l'amas de la Vierge tel qu'on peut l'observer dans la carte du ciel en ligne DESI DR9 (unWISE W1/W2 NEO6). A droite, le groupe du Septtete de Copeland situé à ~421 millions d'années-lumière dans la constellation du Lion photographié en optique par le télescope de 4 m du KPNO et intégré à la carte DESI. A comparer avec cette image LRGB obtenue par Adam Bock avec le télescope RCOS de 81 cm de l'observatoire du Mont Lemmon en Arizona. Documents NOIRLab/DESI.

La nouvelle carte est le résultat d'un projet ambitieux qui dura 6 ans impliquant 1405 nuits d'observationau foyer de trois grands télescopes, des années de données enregistrées par les télescopes spatiaux et la collaboration de 150 observateurs et 50 autres chercheurs du monde entier. La carte totalise 4.3 millions d'images qui représentent 1 pétabyte de données (1015 octets) et 100 millions d'heures de processeur sur le superordinateur "Cori", un Cray XC-40 d'environ 30 PFLOPS exploité depuis 2017 par le Centre national de calcul scientifique de recherche énergétique (NERSC) du Berkeley Lab.

La carte fut réalisée en compilant des images optiques prises par la caméra Mosaic3 du télescope Nicholas U. Mayall de 4 m de l'Observatoire National de Kitt Peak (KPNO) et par la caméra DECam du télescope Victor M. Blanco de 4 m de l'Observatoire Interaméricain de Cerro Tololo (CTIO), complétées par des images IR du télescope spatiale WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) de la NASA. La carte contient également les données du sondage Beijing-Arizona Sky Survey (BASS) réalisé avec la caméra 90Prime installée sur le télescope Bok de 2.3 m du KNPO de l'Université de l'Arizona. Les données ont été réduites au centre NERSC du Berkeley Lab. Le programme fut codirigé par Arjun Dey du projet DESI dans le cadre du programme NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) de la NSF.

A présent les astronomes de la Collaboration DESI vont sélectionner 35 millions de galaxies et 2.4 millions de quasars jusqu'à 12 milliards d'années-lumière pour une étude plus approfondie avec DESI afin de construire la plus grande carte 3D jamais réalisée grâce au superordinateur du NERSC.

DESI prendra également le spectre de chaque objet céleste. L'enregistrement de ces spectres est un autre défi pour lequel les spécialistes ont fait appel à un réseau de 5000 robots automatisés pivotants, chacun portant une fibre optique pointant sur une galaxies individuelle afin d'enregistrer en une seule exposition le spectre de 5000 galaxies.

Le nouveau projet est dirigé par le KPNO et durera 5 ans. Les chercheurs espèrent que les résultats fourniront de nouvelles informations sur la mystérieuse énergie sombre qui semble à l'origine de l'expansion accélérée de l'Univers.

Selon Adam Bolton, directeur du Community Science and Data Center de NOIRLab, "Pour résoudre certains des plus grands mystères de la physique fondamentale, aujourd'hui nous sommes poussés à créer d'énormes bases de données d'étoiles et de galaxies, qui à leur tour permettent une nouvelle approche de l'exploration de données et de faire de nouvelles découvertes astronomiques".

Des pipelines de gaz froid alimentent la galaxie SMM J0913

Les simulations de l'évolution des galaxies dans l'univers primitif, quelques milliards d'années après la Big Bang, suggèrent qu'il existait de nombreuses galaxies massives. Pour grandir, elles devaient être alimentées par du gaz froid piégé dans des filaments de matière sombre (ou noire), des structures de la toile cosmique qui relient les galaxies entre elles (cf. le modèle ΛCDM). Ces filaments peuvent expliquer comment le gaz froid est littéralement pompé dans les galaxies sans être perturbé par l'environnement chaud du halo enveloppant ces galaxies. Mais la nature de ces flux ou courants de gaz est restée mystérieuse en l'absence d'observations directes.

Dans une étude publiée dans "The Astrophysical Journal" (en PDF sur arXiv) en 2021, Hai Fu de l'Université d'Iowa et ses collègues ont découvert ce qu'ils décrivent comme un "pipeline" de gaz filamentaire alimentant une grande galaxie située à z = 2.67 soit plus de 11 milliards d'années-lumière, à une époque où l'univers avait 2.4 milliards d'années soit environ un cinquième de son âge actuel. Cette découverte confirme donc les simulations.

Pour détecter ces filaments très pâles et très fins, les chercheurs ont fait appel à divers télescopes et radiotélescopes et dépouillé les données de 70000 galaxies pendant 5 ans avant de trouver celle qui correspondait exactement au type de galaxie conforme à leur modèle. Cette galaxie est GAMA J0913-0107 ou plus simplement la galaxie submillimétrique SMM J0913 (également surnommée "SMG" pour SubMillimeter Galaxy dans l'article).

A gauche, trois images multispectrales de la galaxie "SMG" alias GAMA J0913-0107 ou SMM J0913 située à z= 2.67. A gauche, une image à grand champ en pseudo-couleurs RGB (B à 250 µm, V à 350 µm et R à 500 µm) prise par le télescope Herschel. La galaxie est la source lumineuse près du centre de la région de 15.2' x 21.0'. Au centre, une carte dressée par ALMA agrandie sur la galaxie montrant l'émission de CO (3−2) entre 2.67 < z < 2.70. Cette région de 36.5' x 50.4' renferme la galaxie, ses compagnons CO (graduations rouges) et les deux QSO en arrière-plan (graduations noires). A droite, une image noir et blanc en bande R lointaine de la même région. La magnitude limite est de ~25. Dans toutes les images, la position de QSO1 définit l'origine des coordonnées. A droite, schéma des courants ou "pipelines" de gaz froid subsistant malgré un environnement plus chaud et accrétant sur la galaxie SMM J0913, lui permettant de former de nouvelles étoiles. Documents Hai Fu et al. (2021) adaptés par l'auteur.

Comme on le voit ci-dessus, visuellement SMM J0913 est située devant deux quasars dont la lumière permet de distinguer en silouhette des détails dans le courant de gaz qui l'alimente et lui permet de former de nouvelles étoiles et de grandir.

Des études précédentes ont bien détecté d'éventuels filaments, mais elles n'ont pas été en mesure d'enregistrer des informations chimiques détaillées prouvant qu'il s'agit de flux de gaz entrant. En revanche, à l'aide d'informations spectrales enregistrées par l'installation radiointerférométrique ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) installée dans le désert d'Atacama au Chili, Fu et ses collègues ont pu mesurer l'abondance des éléments chimiques dans le filament de gaz accrété par SMM J0913.

Les résultats ont montré que le courant manquait d'éléments lourds tels que l'aluminium, le carbone, le fer et le magnésium. Étant donné que l'environnement à l'intérieur des galaxies massives est constamment enrichi en éléments lourds formés par les supernovae, cet indice révélateur démontrait que le gaz était acheminé de l'extérieur de la galaxie, à partir d'un environnement appauvri. 

Selon Fu, "C'est de loin la meilleure preuve que nous ayons" de l'existence de ces courants de gaz. Des mesures complémentaires montrent que le gaz froid riche en hydrogène est accrété par la galaxie SMM J0913 à la vitesse de 300 km/s. Cette galaxie classée parmi les "Starbursts" présente un taux de formation stellaire de 1200 M par an (contre ~3 M par an pour la Voie Lactée de nos jours) et une quantité de gaz équivalente à 1.3 x 1011 M. Les chercheurs estiment le taux d'accrétion total de gaz à environ 100 M/an, ce qui est inférieur au taux de formation stellaire, mais conforme aux simulations. À ce rythme, il faut environ un milliard d'années pour que cette galaxie forme son réservoir de gaz moléculaire.

Bien que la nouvelle étude représente une avancée dans notre compréhension de la formation des galaxies massives dans l'univers primitif, il reste encore beaucoup de questions ouvertes. L'équipe de Fu n'a examiné que deux points le long du courant de gaz et doit donc poursuivre cette étude pour avoir une vue générale du phénomène. Le suivi sera notamment assuré grâce au télescope Keck de 10 m de Mauna Kea.

Selon Fu, "A long terme, nous aurions besoin de trouver plus de courants autour d’autres galaxies massives". Mais il ne sera pas facile de découvrir d'autres phénomènes similaires dans un univers lointain rempli de galaxies très pâles. Cependant la mise en service du télescope spatial JWST prévue en octobre 2021 devrait faciliter les futures recherches.

Un taux de formation stellaire de 3 M par an dans la Voie Lactée

Selon un article publié par l'équipe de Kazufumi Torii de la NOAJ dans les "PASJ" en 2019, le taux de formation stellaire dans la Voie lactée est en moyenne de 2.9% soit l'équivalent de ~3 M par an. Ce faible taux s'explique du fait que les nuages interstellaires denses où peuvent se former des étoiles ne représentent que 3% de la masse de gaz de notre Galaxie. Ce résultat fournit des informations essentielles pour comprendre l'évolution du taux de production des étoiles. Pour obtenir ce résultat, les astronomes ont utilisé le radiotélescope de 45 m de l'Observatoire Radio de Nobeyama (NRO).

Le radiotélescope de 45 m de l'Observatoire Radio de Nobeyama de la NOAJ.

On sait que les étoiles naissent dans des nuages ​​de gaz très denses. Cependant, les observations des galaxies lointaines ont détecté des taux de production stellaire 1000 fois plus faibles que la valeur prédite tenant compte de la quantité totale de gaz de faible densité. Pour interpréter cet écart, il était nécessaire de disposer d'observations permettant de détecter les nuages de gaz de haute densité et de faible densité avec une résolution spatiale élevée et une couverture étendue. Mais de telles observations sont difficiles car les structures gazeuses à haute densité sont des dizaines de fois plus petites que les structures à faible densité.

Afin de surmonter ces difficultés, dans le cadre du projet "FUGIN", Kazufumi Torii de la NOAJ et son équipe ont utilisé le récepteur multifaisceaux FOREST du radiotélescope du NRO pour sonder le gaz présent dans le plan galactique de la Voie Lactée (l=10-50°) dans la raie du CO (transitions J=1-0 du 12CO, 13CO et C18O) avec une résolution angulaire de ~18'. C'est le sondage galactique le plus précis de ce type réalisé à ce jour.

Des observations récentes des nuages ​​moléculaires galactiques proches indiquent que le gaz dense formant les étoiles présente des propriétés quasi universelles. Des mesures faites sur des galaxies extérieures ont montré une corrélation à l'échelle galactique entre le taux de formation stellaire et la surface de densité du gaz moléculaire.

Pour parvenir à une compréhension complète de ces deux propriétés, il est important de quantifier la masse fractionnelle de gaz dense dans les nuages moléculaires, fDG. En particulier, pour la Voie Lactée, aucune étude précédente ne résolvait le disque fDG sur une échelle de plusieurs kpc. Pour cette étude, les chercheurs ont quantifié les masses exactes de gaz de faible et de haute densité et mesuré la fDG sur 5 kpc soit 16300 années-lumière dans le premier quadrant de la Voie Lactée.

La masse moléculaire totale fut mesurée dans la raie du 12CO et la masse de gaz dense dans la raie du C18O. Un taux de formation stellaire moyen de 2.9% fut obtenu pour l'ensemble de la région cible.

A gauche, la zone ciblée par le sondage FUGIN de la NOAJ. A droite, distribution des nuages de gaz de la Voie Lactée obtenue dans le cadre du projet FUGIN. Le gaz de haute densité (à droite) est détecté uniquement dans de petites régions gazeuses de faible densité (à gauche). Vu leur rareté, en moyenne la Voie Lactée produit l'équivalent de 3 étoiles de masse solaire par an. Documents Norikazu Okabe/NAOJ et NAOJ.

Selon les chercheurs, cette faible valeur suggère que la formation de gaz dense est le principal facteur limitant la formation d'étoiles dans la Galaxie. Ils ont également constaté que fDG présentait de grandes variations en fonction des structures du disque de la Voie Lactée. Dans les bras galactiques, fDG varie entre 4 et 5% tandis que dans les régions de la barre nucléaire et entre les bras, fDG varie entre 0.1 et 0.4% seulement. Ces résultats indiquent que les processus de formation/destruction du gaz dense et leurs échelles de temps sont différents pour différentes régions de la Voie Lactée, entraînant des différences dans l'efficacité du processus de formation stellaire.

Deuxième partie

Le sens de rotation privilégié des galaxies spirales

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