Le milieu interstellaire (MIS) et la formation d’étoiles sont intimement liés. C’est en effet à partir de la matière interstellaire que se forment les étoiles. Or le MIS est hétérogène, dynamique et magnétisé. Ses signatures sont observables sur tout le spectre électromagnétique et à toutes les échelles spatiales. La recherche au LFEMI combine donc des techniques observationnelles multi-longueurs d’onde, des rayons γ aux ondes radio, des modèles physiques pour interpréter ces observations et des simulations numériques pour comprendre les phénomènes dans leur ensemble.
Le Milieu Interstellaire
La quête astrophysique de nos origines repose sur deux piliers fondamentaux.
- Comprendre l’origine de l’Univers, qui peut être abordé par l’étude de l’évolution des galaxies, et en particulier de la manière dont cette évolution est déterminée par la conversion progressive de leur milieu interstellaire en étoiles.
- Comprendre l’origine de la vie, dont la condition première est la formation des systèmes stellaires et de leur cortège de planètes. La croissance de la complexité moléculaire amenant à la formation des premières cellules est également un processus essentiel à explorer pour comprendre l’origine de la vie.
Le milieu interstellaire est au cœur de ces deux problématiques. C’est un entrelacs de phases gazeuses ionisées, neutres, et moléculaires remplissant le volume entre les étoiles d’une galaxie. Ce milieu contient en outre de petites particules solides, les grains de poussière, qui ont un rôle important dans son équilibre énergétique et dans sa chimie. Le MIS est également traversé par les rayons cosmiques avec lesquels il peut interagir. Finalement, trois champs de force ont un rôle déterminant sur les propriétés physiques du milieu interstellaire : (i) le champ électromagnétique, principalement les photons émis par les étoiles ; (ii) le champ magnétique ; (iii) le champ gravitationnel. Ces différents ingrédients sont représentés sur le schéma ci-dessous.
Crédit : ESO, ALMA.
Le Cycle de la Matière Interstellaire
Les étoiles naissent elles-mêmes de l’effondrement gravitationnel des nuages moléculaires. À la fin de leur vie, elles restituent une part importante de leur matière au milieu interstellaire, que ce soit en explosant en supernovae ou en expulsant doucement leur enveloppe sous forme de nébuleuses planétaires. C’est pourquoi on parle d’un cycle de vie interstellaire, car les étoiles épuisent et reconstituent le réservoir de matière interstellaire. Chaque génération successive d’étoiles enrichit également le milieu interstellaire en éléments lourds (C, N, O, Fe, etc.), modifiant ainsi ses propriétés thermodynamiques et radiatives. Finalement, les étoiles engendrent une rétroaction sur le milieu interstellaire, par le rayonnement ionisant et les vents qu’elles produisent. Cette rétroaction a pour effet de détruire le reste du nuage moléculaire et d’ainsi inhiber la formation d’étoiles au bout de quelques millions d’années. Quant aux disques protostellaires et protoplanétaires, leurs conditions initiales sont directement héritées du milieu interstellaire.
Ce cycle n’est toutefois pas infini. Les jeunes galaxies (galaxies irrégulières) sont riches en gaz, tandis que les galaxies anciennes (galaxies elliptiques) sont presque totalement dépourvues de gaz interstellaire, car la majeure partie de celui-ci a été utilisé pour former des étoiles. C’est donc le cycle de vie interstellaire qui régit l’évolution d’une galaxie. Pourtant, le processus de formation stellaire et son impact en retour sur le milieu interstellaire restent encore mal connus. Il s’agit là d’une question ouverte majeure de l’astrophysique moderne.
Les Principales Étapes de la Formation d’Étoiles
Le processus conduisant à la formation des étoiles et de leurs planètes, comporte plusieurs phases bien identifiées, représentées ci-dessous. Les étoiles se forment exclusivement à partir de gaz moléculaire. Ce sont les cœurs les plus denses, localisés le long de structures filamentaires qui vont en constituer les embryons. Les cœurs s’effondrent ensuite, sous l’effet de la gravité. Une protoétoile est alors née. Celle-ci, toujours enfouie dans son enveloppe en contraction, comporte maintenant un disque protostellaire et un jet bipolaire. Une fois l’enveloppe complètement dissipée, le disque autour de l’étoile comporte maintenant des planètes en formation, d’où son nom de disque protoplanétaire. Au bout de quelques dizaines de millions d’années, un système planétaire apparait.
L’Astrophysique Panchromatique
Les projets de recherche menés au LFEMI couvrent tous les domaines de longueurs d’onde, car chacun de ces domaines contient des signatures spectrales du milieu interstellaire. La fenêtre des rayons γ aux UV proches et celle de l’infrarouge moyen au submillimétrique sont toutes deux inaccessibles depuis le sol, du fait de l’opacité atmosphérique. Ces gammes de fréquence doivent donc être observées depuis l’espace, grâce à des télescopes embarqués sur des satellites, tels XMM, Herschel, ou le JWST. Les rayons γ (énergie ≳ 1 MeV) et le satellite Fermi ne sont pas représentés sur la figure ci-dessous. Ceux-ci se trouveraient sur la gauche du diagramme, au delà de la marge.
Les Grandes Questions Ouvertes Étudiées au LFEMI
- Quel est le rôle du milieu interstellaire en tant qu’acteur et révélateur des processus physiques, dans la Voie lactée et les galaxies externes ?
- Quelles sont les lois fondamentales et universelles de la formation des étoiles ?
- Quand et comment se forment les premiers embryons de protoplanètes ?
Le schéma ci-dessous représente la manière dont ces thématiques s’incluent entre les deux grands piliers de l’astrophysique présentés au début.
