Les « Piliers de la création » décodés par Herschel et la simulation numérique
Vincent Minier (Sap)

Les nébuleuses, régions du ciel formées d’énormes réservoirs de gaz interstellaires, regroupent en leur sein des milliers d’étoiles. Certaines jeunes, d’autres en train de naître. Grâce aux derniers observatoires spatiaux pour l’astronomie infrarouge et à l’aide de simulations numériques, les chercheurs sont capables d’appréhender les mystères associés aux cycles de naissance des étoiles. Le rayonnement UV des étoiles les plus massives interagit fortement avec leur environnement, découpe le bord du nuage en formes étonnantes qui seront les cocons des prochaines générations d’étoiles, et ce jusqu’à la consommation et la dispersion complète du gaz (Minier et al. 2009, Astronomy & Astrophysics). C’est toute une écologie stellaire qui se met en place pour des millions d’années. C’est dans ce type d’environnement que notre Soleil serait né.

 

La nébuleuse de l'Aigle.

En 1996, une étude publiée dans Astronomical Journal a ainsi rendu célèbre ces colonnes de gaz interstellaire à travers l’image des « Piliers de la création » prise par Hubble dans la Nébuleuse de l’Aigle (M-16), localisée à 7000 années lumières de la Terre. Les astrophysiciens

émettent alors l’hypothèse que la formation d’une nouvelle génération d’étoiles s’effectue au sein de ces « piliers ». Malheureusement ils n’avaient aucun moyen de le vérifier pleinement. Hubble ne permettait de voir que la surface gazeuse et opaque de la colonne de gaz. Très peu de lumière et donc d’information pouvaient s’échapper de l’intérieur des piliers. Ceux-ci sont constitués de gaz mélangé avec 1% de poussière interstellaire qui possède la propriété d’absorber toute la lumière des étoiles.

 

Nébuleuse de l’Aigle : les « piliers de la création » vus dans le visible (à gauche/Crédit : NOAO) et dans l’infrarouge submillimétrique par Herschel (à droite/Crédits : HOBYS/HERSCHEL/ESA)
Les images d’Hubble et d’Herschel apportent des éclairages différents. La lumière infrarouge traverse toute la nébuleuse et éclaire ainsi l’anatomie des zones opaques.

Mais alors comment espérer détecter la formation des étoiles si elles sont si bien cachées ?

La  poussière  interstellaire,  qui  masque  ces  étoiles,  est  chauffée  par  leur  lumière ultraviolette à des températures de quelques dizaines de kelvins (soit de l'ordre de - 230 °C). À ces températures,  tout  corps  rayonne  de  la  lumière,  et  donc  émet  des  ondes  dans  le  domaine infrarouge lointain et submillimétrique. Ce rayonnement traverse sans difficulté les nuages denses où naissent les étoiles (Motte et al. 2010, Astronomy & Astrophysics). Le satellite Spitzer permit déjà, en 2001, des mesures dans l’infrarouge, mais la taille réduite de son télescope n’offrait pas le bon pouvoir de résolution dans l’infrarouge lointain. Mais le satellite (Spitzer) n’allait pas jusqu’au domaine submillimétrique. Or c’est précisément ce domaine de rayonnement qui caractérise sans ambigüité la naissance des étoiles.

 

C’est avec le lancement en mai 2009 de Herschel, le télescope spatial de l’Agence spatiale européenne (ESA), qu’une étude approfondie des « piliers » a pu être menée. Ce télescope spatial de 3,5 mètres de diamètre est dédié à l’observation du rayonnement infrarouge lointain et submillimétrique (de 60 à 670 micromètres). En captant le rayonnement infrarouge et submillimétrique qui est émis par l'intérieur des nuages interstellaires, les détecteurs du télescope ont pu offrir un regard profond et inédit sur les nébuleuses et sur ces fameux « piliers » (Schneider et al. 2010, Astronomy & Astrophysics).

 

Des programmes d’observation (HOBYS et Pillars), coordonnés par des chercheurs du Laboratoire AIM Paris-Saclay et du Service d’Astrophysique (SAp) du CEA/Irfu, s’intéressent de près aux nuages interstellaires géants et à la formation des étoiles massives en leurs seins. Les observations  sont  menées  plus  particulièrement  à  partir  des  trois  instruments  de  détection localisés à bord d’Herschel : PACS, SPIRE et HIFI.

 

Analyse de la formation stellaire

Les clichés fournis par Herschel révèlent ainsi la structure interne des « piliers », leur contenu  en  étoiles  naissantes  et  permettent  de  comprendre  leur  connexion  avec  l'anatomie

« filamentaire » du nuage interstellaire dans lesquels ils sont localisés.

 

Des simulations numériques démontrent que l'ionisation4 du gaz dû au rayonnement UV crée ces

« piliers » par compression et « pincement » de poches de gaz plus denses que la moyenne. La forme et la masse des « piliers » varient au cours du temps à l’échelle de centaines de milliers d’années. La simulation produit des « piliers » avec deux zones d’accumulation de la matière : une sorte de bouclier au sommet ; une densification à la base. Les deux zones sont reliées par un filet de gaz très diffus. Et c’est exactement ce qu’Herschel observe !

 

Simulation numérique montrant la formation et la distribution de matière d’un pilier en fonction du temps sur une période de 500 000 ans (schéma de gauche/Tremblin, Audit, Minier et al. 2011, in préparation). Carte de densité d’un pilier de 9 années lumières5 de long dans la Rosette, produite grâce aux données d’Herschel. On observe dans les deux zones plus denses au sommet et à la base (schéma de droite/Schneider et al. 2010, Astronomy & Astrophysics).

Plusieurs cartographies d’Herschel en 2010 et 2011 ont porté sur des régions du ciel qui produisent  actuellement  des  étoiles  géantes  ou  dites  massives.  Il  s’agit  entre  autres  des nébuleuses de la Rosette, du Cygne et de l’Aigle. Ces régions ne sont pas vierges d’étoiles déjà bien formées. Capter la première étape de la formation de la première étoile massive est donc illusoire. En réalité ces cartographies à champ large offrent la possibilité de dénicher de nouvelles poches de gaz « accouchant » d’étoiles, d’en mesurer leur masse et leur température, et de déterminer d’éventuelles relations de causalité entre l’activité des amas d’étoiles existant et la formation d’étoiles en cours. Les « piliers » n’échappent pas à cette quantification physique du gaz et de l’activité préstellaire en cours. Alors qu’on imaginait en 1995 ces piliers riches d’étoiles, la formation d’étoile y apparaît plutôt timide et limitée à des étoiles de petites tailles. Ce n’est donc pas dans ces piliers que de nouvelles étoiles massives se formeront, mais de nouveaux soleils s’y développeront sûrement.

 

Un nouveau programme d'observation avec Herschel (Pillars) et des programmes d'observations au sol vont s'attaquer à la cartographie du gaz moléculaire et atomique dans ces régions pour en déduire des informations sur les vitesses du gaz et les comparer aux simulations numériques réalisées (Tremblin, Audit, Minier et al. 2011, en cours6). Cette étude permettra d’associer chaque « pilier » à des conditions physiques différentes (température, vitesse, densité, taille, structure interne, masse…) et de décoder le mécanisme de formation. D’autres analyses en cours ont pour objectif d’élaborer une typologie des piliers (Minier, Tremblin, Schneider et al. 2011, en cours7) de manière à établir notamment s’il existe oui ou non un lien étroit entre ces « piliers » et les filaments interstellaire récemment observés grâce aux dernières images fournies par Herschel. Auquel cas il y aurait alors une véritable corrélation entre la naissance des étoiles, les filaments interstellaires et ces « piliers de la création ».

 

 

Maj : 14/11/2011 (3126)

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