Les pouponnières d'étoiles

200 milliards d’étoiles peuplent notre galaxie. Elles ne sont pas éternelles : les étoiles naissent, vivent et meurent. Elles ne  naissent pas seules mais en fratrie d'étoiles dont les masses varient de quelques dixièmes de  fois celle du Soleil à quelques dizaines de masses solaires pour les plus massives. Le matériau de construction de base d'une étoile est le gaz moléculaire dont le réservoir est le milieu interstellaire des galaxies. Les “pouponnières d’étoiles” apparaissent ainsi dans d’immenses nuages de gaz pouvant atteindre une centaine d’années-lumière de diamètre et contenant de l’alcool, de l’ammoniaque, de la vapeur d’eau, du monoxyde de carbone et surtout de l’hydrogène. C’est ce gaz raréfié, contenant quelques millions d’atomes et molécules par litre, qui engendre les objets massifs que sont les étoiles. Le nuage se décompose en fragments sous l’influence de grands mouvements turbulents. Les fragments se condensent ensuite sous l’effet de leur propre gravité. La pression interne du gaz, d’origine thermique, turbulente et magnétique, ralentit toutefois cette contraction, et maintient tout d’abord un certain équilibre. À un certain point, l’équilibre se rompt et chaque fragment de nuage s’effondre rapidement sur lui-même sous l’action de son propre poids pour former un embryon d’étoile ou proto-étoile au centre. La proto-étoile grossit alors en attirant une grande partie de la matière du fragment de nuage qui l'entoure. Lorsque toute cette matière est consommée, l’embryon d’étoile continue à se contracter sous l’effet de la gravité et sa température interne augmente jusqu’à amorcer les réactions nucléaires de fusion de l'hydrogène en hélium. Une étoile est née. Pour les plus massives, elles restent cachées dans leur cocon de gaz et de poussière durant une partie importante de leur vie. Pour "voir" à l'intérieur de ces zones opaques, les astronomes utilisent des détecteurs de lumière infrarouge, submillimétrique et millimétrique. Dans ce travail les télescopes de l'ATNF en Australie et APEX au Chili avec le détecteur p-ArTéMiS du CEA-Irfu ont été utilisés.

Des forces extérieures provoquent la naissance d'étoiles massives

Les astrophysiciens ne savent pas encore si la fragmentation du nuage moléculaire et l’effondrement qui suit pour former des étoiles, résultent de forces extérieures ou de la dissipation des résistances internes (turbulences ou magnétisme). Dans de nombreuses régions de notre galaxies, plusieurs générations d'étoiles sont observées à l'intérieur d'un même nuage moléculaire parental. Le cycle de naissance participe à l'enrichissement du milieu interstellaire en molécules et en atomes. Ce processus injecte également beaucoup d'énergie sous forme de jets de matière et de propagation d'ondes de choc. Lors de l'explosion d'une supernova par exemple, l'onde de choc qui suit pourrait provoquer l'effondrement de nuages moléculaires avoisinants (voir animation ci-dessous). C'est le processus de la formation déclenchée des étoiles.

Générations d'étoiles et nouvelles naissances par déclenchement

Dans le cas de la région NGC 3576 dans la constellation de la Carène, les observations montrent qu’une première génération d’étoiles massives s’est formée au centre du nuage moléculaire qui demeure invisible et apparait riche et dense en gaz (voir image de gauche ci-dessous). Une boule de gaz ionisé ou région HII s’est alors formée autour de l’amas des jeunes étoiles massives. Cette région continue de se dilater sous l’effet de sa pression ce qui créée une bulle de gaz moléculaire autour de la région HII.  En observant cette bulle à travers le monoxyde de carbone (CO), un mouvement d'expansion d'une vitesse de 7 km/s a été enregistré ("expanding molecular shell" sur l'image de droite ci-dessous). Des embryons d’étoiles sont observés en périphérie de cette bulle en dilatation et le long de bras dans le nuage moléculaire. Une explication avancée est que la dilatation de la région HII a déclenché par compression la formation de nouvelles proto-étoiles.

Un cas semblable a été observée dans la région G327.3. Un nuage sombre en infrarouge, très dense, est pris en "sandwich" par la propagation d’une onde de choc liée à un vent stellaire sur sa gauche et par la dilatation de deux régions HII au nord et au sud. Le champ de vitesse à l'intérieur du nuage est mesuré à partir de raies d'émission du monoxyde de carbone. A l'est du nuage, la vitesse correspond à celle du vent stellaire d'une étoile massive. Au nord et au sud, les vitesses sont celles du gaz en expansion autour des régions HII. Au centre du nuage, le profile de vitesse est multiple. Clairement, le nuage moléculaire subit des compressions multiples. En observant la morphologie du nuage sombre grâce à l’émission des grains de poussière, de nombreux fragments sont identifiés (SMM1 à 10 sur l’image ci-dessous). Leur dimension, densité, masse, température et luminosité indiquent qu’ils pourraient donner naissance à des étoiles massives.

Le déclenchement de la formation stellaire par des étoiles déjà formées au voisinage reste néanmoins énigmatique. Certes, des mouvements de compression apporteraient l'énergie suffisante à l'effondrement des fragments du nuage moléculaire en objets denses capables de former des étoiles massives. Le rôle de ce mécanisme dans l'accumulation de gaz pour former le nuage parental n'est pas encore bien établi.

Rédaction et contact: Vincent Minier

Publications:

Multi-generation massive star-formation in NGC 3576 , par C. Purcell, V. Minier, S.N. Longmore, Ph. André, A.J. Walsh, P. Jones, F. Herpin, T. Hill, M.R. Cunnigham, M.G. Burton, publié dans la revue Astronomy & Astrophysics, septembre 2009, vol. 504, p. 139 (fichier en pdf via astro-ph ).

Evidence of triggered star formation in G327.3-0.6. Dust-continuum mapping of an infrared dark cloud with P-ArTéMiS par V. Minier, Ph. André, P. Bergman, F. Motte, F. Wyrowski, J. Le Pennec, L. Rodriguez et al., publié dans la revue Astronomy & Astrophysics, juillet 2009, vol. 501, p. 1 (fichier en pdf via astro-ph ).