14 Septembre 2011

La naissance des étoiles n’est pas une affaire de billard cosmique

Les observations effectuées sur le télescope spatial Herschel de l’ESA montrent que les collisions entre galaxies ne jouent qu’un rôle secondaire dans le processus de formation des étoiles.
A l’époque où la plupart des étoiles se sont formées, les quantités de gaz en jeu dans les galaxies étaient suffisantes pour engendrer « spontanément » une production nourrie d’étoiles. Ces résultats sont publiés en ligne le 13 septembre dans la revue Astronomy and Astrophysics.

On sait depuis de nombreuses années que les étoiles naissent de l’effondrement gravitationnel sur lui-même d’un nuage de gaz suffisamment dense et massif. On sait également que ce phénomène était beaucoup plus fréquent à une époque lointaine, il y a environ 10 milliards d’années. Certaines galaxies étaient alors très prolifiques et pouvaient donner naissance à 10 voire 100 fois plus d’étoiles que ce qui est observé aujourd’hui dans l’Univers proche.

Pour obtenir de tels résultats, on mesure la luminosité infrarouge de la galaxie.

La lumière des jeunes étoiles, dont le maximum se concentre dans le visible et l’ultra-violet, n’est en général pas observable directement car le gaz intragalactique au sein duquel elles prennent naissance absorbe ce rayonnement. Le gaz s’échauffe alors et émet son propre rayonnement, cette fois dans l’infrarouge. Cette gamme de longueur d’ondes s’étend de 1 micron environ jusqu’à près de 1 millimètre, on parle d’infrarouge proche, moyen et lointain.

Deux scénarios privilégiés existent pour expliquer les épisodes de formation stellaire intense dans les galaxies. Dans le premier, sous l’effet d’une collision entre deux galaxies, certaines régions sont tellement comprimées que le gaz qu’elles contiennent atteint des densités suffisantes pour engendrer des gerbes d’étoiles. Cette flambée de formation stellaire, issue de la fusion de galaxies, est appelée « starburst ».

Dans le second, aucun évènement catastrophique, simplement la présence d’un nuage de gaz massif et dense dans lequel de nombreuses étoiles se forment.

La signature spatiale et spectrale de ces deux scénarios n’est pas la même. Quand une collision entre deux galaxies se produit, la violence du phénomène engendre une production d’étoiles massives, mais soudaine et très concentrée spatialement, ce qui provoque la destruction de certaines molécules plus fragiles entraînant un déficit de rayonnement dans l’infrarouge moyen émis par la galaxie, par rapport à son émission dans l’infrarouge lointain. Dans le cas d’une formation stellaire « normale », celle-ci se déroule de façon homogène dans l’ensemble de la galaxie, et on ne constate pas un tel déficit.

Jusqu’à ce jour, si les galaxies proches avaient été scrutées dans l’ensemble de la bande infrarouge, l’Univers à l’époque reculée du maximum de formation d’étoiles n’avait jamais été observé dans l’infrarouge lointain, faute d’instruments adaptés. Les chercheurs construisaient leurs hypothèses par extrapolation avec les phénomènes observés dans l’Univers plus proche, où seules les galaxies ayant subi un processus de fusion entre deux galaxies sont capables d’engendrer un taux de production aussi élevé d’étoiles. Dans l’Univers lointain, en présence de galaxies très lumineuses ils privilégiaient ce scénario d’une collision entre deux galaxies. En présence d’objets moins lumineux, ils penchaient pour un scénario normal.

Herschel fournit les premières observations des galaxies anciennes dans l’infrarouge lointain.

Les images obtenues dans l’infrarouge lointain grâce au télescope spatial Herschel viennent contredire ce double scénario. Dans le cadre du programme international GOODS-Herschel, piloté par David Elbaz du CEA-Irfu, les astrophysiciens ont pointé le télescope spatial Herschel vers deux régions du ciel, GOODS nord et sud, puis ils ont pris dans cette direction les images les plus profondes du ciel jamais réalisées en infrarouge. Ils ont ainsi pu observer 2000 galaxies et couvrir 80% de l’âge du cosmos. En comparant la quantité de lumière infrarouge libérée dans différentes longueurs d’onde par ces galaxies, l’équipe a montré que les galaxies ayant un taux de formation d’étoiles très élevé n’avaient pas pour autant subi de collision.

Pour renforcer ce constat, les chercheurs ont fait appel à des observations radio (pour les galaxies proches) et UV via le Hubble Space Telescope (pour les galaxies lointaines), afin d’examiner la répartition spatiale des zones de formation stellaire au sein de ces galaxies très lumineuses. Ils ont découvert que les « starbusts » étaient très minoritaires par rapport aux galaxies « normales ».

Ces observations permettent de dégager un mode de formation stellaire universel et une relation finalement très simple : plus une galaxie contient du gaz, plus elle donne naissance à des étoiles. « Les collisions sont nécessaires à la production de taux élevés d’étoiles seulement dans les galaxies qui n’ont plus assez de gaz », explique David Elbaz. Cela s’applique aux galaxies actuelles qui, après avoir formé des étoiles pendant plus de 10 milliards d’années, ont utilisé la plupart de la matière première gazeuse. Les collisions de galaxies tiennent donc un rôle assez anecdotique dans le processus de formation des étoiles à l’échelle de l’histoire de l’Univers.

De récentes simulations numériques accréditent l’hypothèse que la plupart des galaxies sont reliées à des filaments de matière intergalactique, lesquels les nourriraient en gaz tel un cathéter cosmique.

Références de l'article

« GOODS-Herschel: an infrared main sequence for star-forming galaxies », D. Elbaz, M.Dickinson, H.S.Hwang, T.Diaz-Santos, G.Magdis, B.Magnelli, D.Le Borgne, F.Galliano, M.Pannella, P.Chanial, L.Armus, V.Charmandaris, E.Daddi, H.Aussel, P.Popesso, J.Kartaltepe, B.Altieri, I.Valtchanov, D.Coia, H.Dannerbauer, K.Dasyra, R.Leiton, J.Mazzarella, V.Buat, D.Burgarella, R.-R.Chary, R.Gilli, R.J.Ivison, S.Juneau, E.LeFloc'h, D.Lutz, G.E.Morrison, J.Mullaney, E.Murphy, A.Pope, D.Scott, D.Alexander, M.Brodwin, D.Calzetti, C.Cesarsky, S.Charlot, H.Dole, P.Eisenhardt, H.C.Ferguson, N.Foerster-Schreiber, D.Frayer, M.Giavalisco, M.Huynh, A.M.Koekemoer, C.Papovich, N.Reddy, C.Surace, H.Teplitz, M.S.Yun, G.Wilson, Astronomy & Astrophysics, septembre 2011, Volume 533.

Contacts

Contact scientifique : David Elbaz CEA/IRFU

Responsable de la thématique astrophysique : Olivier La Marle

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