Cette illustration représente la distribution du rayonnement des molécules de diazénylium (fausses couleurs) dans la galaxie Whirlpool, par rapport à une image optique. Les zones rougeâtres sur la photographie représentent des nébuleuses gazeuses lumineuses contenant des étoiles chaudes et massives traversant des zones sombres de gaz et de poussière dans les bras spiraux. La présence de diazénylium dans ces régions sombres suggère des nuages de gaz particulièrement froids et denses. Crédit : © Thomas Müller (HdA/MPIA), S. Stuber et al. (MPIA), NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) et l’équipe Hubble Heritage (STScI/AURA)
Pour la première fois, les signatures de nuages froids et denses formant des étoiles dans une galaxie située en dehors du voie Lactée ont été cartographiées sur une vaste zone.
Une équipe de recherche internationale dirigée par des astronomes de l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) a méticuleusement cartographié de vastes régions de gaz froids et denses, les futures pépinières stellaires, dans une galaxie située en dehors de la Voie lactée, avec des détails sans précédent. Grâce à l’interféromètre NOEMA, ces observations couvrent une vaste étendue au sein de la galaxie, donnant un aperçu des différentes conditions propices à la formation d’étoiles. Les données constituent une avancée révolutionnaire dans ce type de mesure, permettant aux chercheurs, pour la première fois, d’examiner les premières phases de la formation des étoiles au-delà de la Voie lactée à des échelles aussi infimes que des nuages de gaz individuels donnant naissance à des étoiles.
Les lieux de naissance des étoiles dans la galaxie du tourbillon
Paradoxalement, l’évolution des étoiles chaudes commence dans certains des royaumes les plus froids de l’univers : des nuages denses de gaz et de poussière qui traversent des galaxies entières. « Pour étudier les premières phases de la formation des étoiles, où le gaz se condense progressivement pour finalement produire des étoiles, nous devons d’abord identifier ces régions,», explique Sophia Stuber, doctorante à l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) à Heidelberg. Elle est l’auteur principal de l’article de recherche dont la publication est prévue dans Astronomie et astrophysique. « Pour cela, on mesure généralement le rayonnement émis par des molécules spécifiques particulièrement abondantes dans ces zones extrêmement froides et denses.»
Molécules comme sondes chimiques
Les astronomes emploient généralement des molécules telles que le HCN (cyanure d’hydrogène) et le N2H+ (diazénylium) comme sondes chimiques dans l’exploration de la formation d’étoiles dans la Voie lactée. « Mais ce n’est que maintenant que nous avons pu mesurer ces signatures de manière très détaillée sur une vaste gamme au sein d’une galaxie en dehors de la Voie lactée, couvrant diverses zones avec des conditions diverses », explique Eva Schinnerer, responsable du groupe de recherche au MPIA. « Même au premier coup d’œil, il est évident que si les deux molécules révèlent effectivement un gaz dense, elles révèlent également des différences intéressantes. »
Grâce à des collisions avec les abondantes molécules d’hydrogène, elles-mêmes difficiles à détecter, d’autres molécules sont mises en rotation. Suite à une réduction de la vitesse de rotation, ils émettent un rayonnement de longueurs d’onde caractéristiques, de l’ordre de trois millimètres pour les molécules précitées.
Ces mesures font partie d’un programme d’observation complet nommé SWAN (Surveying the Whirlpool at Arcsecond with NOEMA), co-dirigé par Schinnerer et Frank Bigiel de l’Université de Bonn. En utilisant le Northern Extended Millimeter Array (NOEMA), un interféromètre radio situé dans les Alpes françaises, l’équipe vise à étudier la distribution de diverses molécules dans les 20 000 années-lumière intérieures de la galaxie Whirlpool (Messier 51), notamment le cyanure d’hydrogène et le diazénylium. En plus des 214 heures d’observation de ce programme, environ 70 heures d’autres campagnes d’observation avec le télescope monoplateau de 30 mètres dans le sud de l’Espagne complètent l’ensemble de données.
« Les données des radio-interféromètres étant bien plus complexes que les images des télescopes, leur traitement et leur affinement ont pris environ un an supplémentaire », note Jérôme Pety de l’Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), l’institution qui exploite les télescopes. Les télescopes interférométriques comme NOEMA sont constitués de plusieurs antennes individuelles, atteignant collectivement une résolution de détail comparable à celle d’un télescope avec un diamètre de miroir primaire équivalent à l’espacement entre les télescopes individuels.
Les propriétés du gaz dépendent de l’environnement
En observant cette galaxie à une distance d’environ 28 millions d’années-lumière, nous pouvons distinguer les signatures de nuages de gaz individuels dans diverses zones, telles que le centre et les bras spiraux. « Nous avons exploité cette circonstance pour déterminer dans quelle mesure les deux gaz tracent pour nous les nuages denses de cette galaxie et s’ils sont également adaptés », explique Stuber.
Alors que l’intensité du rayonnement du cyanure d’hydrogène et du diazénylium augmente et diminue constamment à travers les bras spiraux, fournissant des résultats tout aussi fiables pour déterminer la densité du gaz, les astronomes découvrent une déviation notable dans le centre galactique. Par rapport au diazénylium, la luminosité de l’émission de cyanure d’hydrogène augmente de manière plus significative dans cette région. Il semble y avoir un mécanisme qui stimule le cyanure d’hydrogène à émettre une lumière supplémentaire, ce qui n’est pas observé dans le diazénylium.
« Nous soupçonnons que le noyau galactique actif de la galaxie Whirlpool en est responsable », explique Schinnerer. Cette région entoure le massif central trou noir. Avant que le gaz ne tombe dans le trou noir, il forme un disque en rotation, accélère à des vitesses élevées et est chauffé à des milliers de degrés par friction, émettant un rayonnement intense. Ce rayonnement pourrait en effet contribuer partiellement à l’émission supplémentaire de molécules de cyanure d’hydrogène. « Cependant, nous devons encore explorer en détail ce qui fait que les deux gaz se comportent différemment », ajoute Schinnerer.
Un défi qui en vaut la peine
Par conséquent, au moins dans la région centrale de la galaxie Whirlpool, le diazénylium semble être la sonde de densité la plus fiable par rapport au cyanure d’hydrogène. Malheureusement, pour la même densité de gaz, sa luminosité est en moyenne cinq fois plus faible, ce qui augmente considérablement l’effort de mesure. La sensibilité supplémentaire requise est obtenue grâce à une période d’observation considérablement plus longue.
La perspective d’explorer en détail les premières phases au sein des galaxies situées en dehors de la Voie lactée apporte de l’espoir aux scientifiques. Une vue aussi claire de la Galaxie du Tourbillon n’est pas disponible pour la Voie Lactée. Alors que les nuages moléculaires et les régions de formation d’étoiles sont plus proches dans la Voie Lactée, déterminer la structure et l’emplacement exacts des bras spiraux et des nuages est considérablement plus difficile.
« Bien que nous puissions apprendre beaucoup du programme d’observation détaillé de la galaxie Whirlpool, il s’agit, en un sens, d’un projet pilote », souligne Stuber. « Nous serions ravis d’explorer davantage de galaxies de cette manière à l’avenir. » Cependant, cette possibilité se heurte actuellement à des limites dues aux capacités techniques. Le Whirlpool Galaxy brille d’un éclat exceptionnel à la lumière de ces sondes chimiques. Pour les autres galaxies, les télescopes et les instruments doivent être bien plus sensibles.
«Le Very Large Array (ngVLA) de nouvelle génération, actuellement en cours de planification, sera probablement suffisamment puissant», espère Schinnerer. Si tout se passe bien, il ne sera disponible que dans une dizaine d’années. En attendant, la galaxie Whirlpool constitue un riche laboratoire pour explorer la formation des étoiles à l’échelle galactique.
Les chercheurs du MPIA impliqués dans cette étude sont Sophia Stuber et Eva Schinnerer.
Les autres contributeurs sont Jérôme Pety (IRAM et Observatoire de Paris/PSL, France (PSL)), Frank Bigiel (Université de Bonn, Allemagne (UB)), Antonio Usero (Observatorio Astronómica Nacional/IGN, Madrid, Espagne (OAN)), Ivana Bešlić (PSL), Miguel Querejeta (OAN), J. María Jiménez-Donaire (OAN et Observatorio de Yebes/IGN, Guadalajara, Espagne), Adam Leroy (Ohio State University, Columbus, USA), Jakob den Brok (Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian, Cambridge, États-Unis), Lukas Neumann (UB), Cosima Eibensteiner (UB), Yu-Hsuan Teng (Université de Californie à San Diego, La Jolla, États-Unis), Ashley Barnes (Observatoire européen austral, Garching, Allemagne (ESO)), Mélanie Chevance (Centre d’Astronomie, Université de Heidelberg, Allemagne (ZAH) et Cosmic Origins of Life Research DAO), Dario Colombo (UB), Daniel A. Dale (Université du Wyoming, Laramie, USA), Simon CO Glover ( ZAH), Daizhong Liu (Institut Max Planck de physique extraterrestre, Garching, Allemagne) et Hsi-An Pan (Université Tamkang, Taiwan).
