Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

L'impact des étoiles massives

Les nuages moléculaires, constitués de gaz moléculaire et de poussière interstellaire convertissent une fraction de leur masse en étoiles en s'effondrant sous l'effet de la gravité. Les étoiles qui naissent ont alors une large gamme de masses différentes réparties selon une distribution dénommée "fonction de masse initiale". Les étoiles de type solaire et surtout les naines rouges plus petites que le Soleil dominent largement en nombre tandis que les étoiles massives et les naines brunes sont minoritaires. Pourtant, les étoiles les plus massives jouent un rôle prépondérant par la suite, car, par l'effet de leur puissant rayonnement et leurs explosions à la fin de leur courte vie, elles parviennent à disperser les nuages.

Il etait communément admis jusqu'ici que ces processus de compression du gaz et de dispersion étaient indépendants. Or les observations du satellite Herschel démontrent sans ambiguïté que l’expansion du gaz ionisé provoqué par la rayonnement ultra-violet des étoiles massives compresse en réalité le reste du nuage et forme ainsi une nouvelle génération d’étoiles même pendant la phase d’ionisation et d’érosion du nuage.

La première partie de l'étude des chercheurs a été conduite à l’aide de simulations numériques au sein du laboratoire LMPA (Laboratoire de modélisation des Plasmas Astrophysiques). Grâce au code d’hydrodynamique radiative HERACLES développé au CEA, la modélisation de l’interaction entre l’ionisation des étoiles massives et la turbulence des nuages moléculaires a mis en évidence deux régimes. Lorsque la turbulence est plus faible que la pression du gaz ionisé, ce dernier peut s’étendre et comprimer le nuage, formant ainsi une couche de gaz dense qui est déformée par les inhomogénéités du nuage. Lorsque cette couche est suffisamment courbée, des piliers de gaz denses se forment, comme les Piliers de la Création. A l’inverse, lorsque la turbulence est plus forte, la compression n’est pas efficace et des “grumeaux” se détachent du nuage moléculaire sous l’effet de l’agitation turbulente, formant ainsi des globules ( voir la vidéo de la simulation HERACLES)

La structure complexe des nébuleuses obscures

Ces nouveaux modèles pour la formation des piliers et des globules donnent lieu à des signatures particulières dans le champ de vitesse et de densité du gaz et ils ont pu être confronté aux observations grâce aux nouvelles données prises par le satellite Herschel et grâce à des observations de raies moléculaires faîtes par des radio-observatoires sur Terre dans les nébuleuses de l’Aigle et de la Rosette.

Les observations avec Herschel permettent de contraindre la structure en densité de la poussière autour du gaz ionisé et les données en raies moléculaires permettent de déterminer la structure du champ de vitesse du gaz. Ainsi il est possible d’avoir les informations nécessaires pour comparer les observations aux simulations numériques qui contiennent ces deux informations. L’origine turbulente des globules dans la nébuleuse de la Rosette a ainsi pu être mis en évidence grâce à l’observation de leur champ de vitesse alors que la nature plus calme et compressée des piliers dans la nébuleuse de l’Aigle a été identifiée grâce à la combinaison des données en raies moléculaires et des données Herschel.

En plus d’apporter des nouvelles connaissances sur la formation des piliers et des globules à l’interface entre les nuages moléculaires et le gaz ionisé, les nouvelles observations réalisées avec Herschel permettent d’analyser la structure globale des nuages moléculaires. Lorsque le nuage est dominé par la turbulence, la distribution de sa densité prend une forme caractéristique qu’on appelle lognormale, centrée autour de la densité moyenne du nuage. Autour des zones ionisées un second pic de gaz comprimé a pu être mis en évidence dans les simulations numériques et dans les observations. Cette seconde composante lognormale est aussi plus importante, plus on est proche des étoiles ionisantes, ce qui démontre le lien avec le gaz ionisé.

Ce « double pic » dans la distribution de la densité du gaz modifie profondément notre vision de la formation des étoiles. Les modèles qui existent à l’heure actuelle se basent essentiellement sur des modèles de nuages gravo-turbulents qui supposent une distribution avec une seule lognormale pour la densité. Pour obtenir la bonne distribution d’étoile à partir de ces nuages, les modèles ont besoin d’une distribution lognormale très large et donc de supposer une turbulence très élevée dans les nuages, beaucoup plus importante que ce qui est observé habituellement.  Or en prenant en compte la compression venant de l’expansion du gaz ionisé, la seconde composante lognormale donne une distribution globale beaucoup plus large tout en gardant un niveau de turbulence initial raisonnable pour le nuage. Ainsi prendre en compte les effets de compressions pendant les phases d’ionisation et d’érosion des nuages peut donner lieu à une nouvelle génération d’étoile qui apportera une distribution globale des étoiles cohérente avec la distribution finale observée dans notre galaxie.