La formation d'étoiles est un processus physique fondamental dans notre univers. Les étoiles éclairent le cosmos et donnent naissance à des planètes, dont certaines peuvent soutenir la vie. Bien que les humains se soient interrogés sur les étoiles depuis les temps préhistoriques, de nouveaux outils technologiques comme la Voie lactée ont ramené notre curiosité naturelle à un tout nouveau niveau. Maintenant, nous pouvons regarder à l'intérieur des régions obscurcies et détecter les jeunes étoiles dans leurs cocons poussiéreux.
Notre merveille intellectuelle est devenue plus formalisée au moins aussi loin que la Grèce antique, lorsque Democrit a proposé que la Voie lactée était faite d'étoiles. Deux millénaires plus tard, le philosophe allemand Immanuel Kant a spécifiquement pensé à la façon dont les étoiles se forment. Dans son œuvre de 1755 « Histoire naturelle universelle et théorie des cieux », il a proposé que les étoiles se forment lors de la majeure partie des matières nébulaires rotatives, une évaluation remarquablement précise pour l'époque.
Maintenant, les astrophysiciens ont des modèles extrêmement détaillés de formation d'étoiles, et de la façon dont les étoiles vieillissent et comment elles répondent à leurs fosses. Mais il y a encore beaucoup de questions, et l'une des raisons pour lesquelles la NASA, l'ESA et la CSA ont construit le JWST était de chercher des réponses à ces questions. L'un des thèmes scientifiques du télescope spatial est la naissance des étoiles et des systèmes protoplanétaires.
Dans le cadre de ses efforts pour répondre aux questions sur la formation des étoiles, le JWST a observé le Sagittaire B2, le nuage de gaz de formation d'étoiles les plus massif et le plus actif de toute la Voie lactée. Il est près du Galaxy's Center, à seulement quatre cents années-lumière du trou noir supermassif de la Voie lactée, Sagittaire A-Star. Le Sagittaire B2 (SGR B2) a environ 150 années-lumière et contient environ trois millions de masses solaires.
SGR B2 est rempli de poussière éclatante éclairée par une brillante collection d'étoiles massives. Mais c'est la teneur en gaz du nuage qui raconte la vraie histoire. La densité de l'hydrogène de SGR B2 est jusqu'à 40 fois plus dense qu'un nuage moléculaire typique. Le nuage est connu pour sa structure complexe, où la densité de gaz varie considérablement avec la température. Sonder une région complexe comme celle-ci est exactement la raison pour laquelle le JWST a été construit.
« Les puissants instruments infrarouges de Webb fournissent des détails que nous n'avons jamais pu voir auparavant, ce qui nous aidera à comprendre certains des mystères encore insaisissables de la formation d'étoiles massives et pourquoi Sagittarius B2 est tellement plus actif que le reste du centre galactique », a déclaré l'astronome Adam Ginsburg de l'Université de Floride, le co-auteur de la nouvelle recherche présentant l'observation de la JWST.
La nouvelle recherche est intitulée « La première vision de JWST sur le nuage le plus vigoureusement formant des étoiles dans le Galactic Center – Sagittaire B2. » L'auteur principal est Nazar Budaiev du Département d'astronomie de l'Université de Floride. La recherche est disponible sur le arxiv serveur de préimprimée.
« Nous rapportons les observations JWST NIRCAM et MiRI de SGR B2, le site le plus actif de la formation d'étoiles dans la galaxie », écrivent les auteurs dans leurs recherches. Les nouvelles observations révèlent la nature multicouche et très structurée du nuage, ainsi que deux populations d'étoiles massives. L'un est une population révélée et à faible extinction, et l'autre est une population cachée et à forte extinction. Dans ce contexte, une faible extinction signifie qu'une grande partie de la lumière de l'étoile est bloquée par la poussière, tandis que une extinction élevée signifie qu'une grande partie de la lumière est bloquée.
SGR B2 se trouve dans la zone moléculaire centrale de la Voie lactée (CMZ), une région riche en gaz qui héberge environ 60 millions de masses solaires de gaz formant des étoiles, le tout dans un complexe de nuages de gaz. Le gaz dans la CMZ est beaucoup plus dense qu'ailleurs dans la galaxie.
Malgré tout ce gaz, le taux de formation des étoiles du CMZ n'est pas aussi élevé que prévu. « Bien que contenant environ 80% du gaz moléculaire dense de la galaxie, la CMZ ne forme qu'environ 10% des étoiles de la galaxie, plus qu'un ordre de grandeur plus faible de ce que nous attendons en fonction des relations typiques de gaz dense », expliquent les chercheurs.
Cet écart est l'une des raisons pour lesquelles les astronomes ont observé SGR B2 avec le JWST. Ils espèrent comprendre comment les choses fonctionnent dans cet environnement extrême. Le SFR de SGR B2 est similaire à la période la plus active de formation d'étoiles autour de Z = 2, pendant le midi cosmique de l'univers. Les chercheurs sont particulièrement intéressés par son taux de formation d'étoiles élevé (SFR), qui le distingue de la CMZ.
« Sagittaire B2 (SGR B2), est un laboratoire puissant pour étudier la formation et l'évolution des étoiles dans des conditions similaires à la période la plus active de formation d'étoiles cosmiques (Z ≈ 2) », écrivent les auteurs.
« Malgré la grande sensibilité de ces observations, aucune population prolongée de YSOS n'a été détectée, plaçant une limite à leur extinction minimale; ce résultat laisse entendre que la formation d'étoiles ne fait que commencer dans le nuage », écrivent les auteurs.
Bien que les images de SGR B2 montrent des multitudes d'étoiles, un autre élément des images se démarque, en particulier dans les images de l'instrument infrarouge moyen du JWST.
Certaines parties du nuage sont extrêmement sombres. Non pas parce qu'il n'y a rien là-bas, mais parce que le gaz et la poussière sont si denses que même le puissant JWST ne peut voir à l'intérieur. Les nuages épais sont le matériau à partir duquel les étoiles se forment, et il y a très probablement des YSO à l'intérieur qui ne se sont pas encore rendus visibles.
« Ensemble, ces résultats suggèrent que, malgré déjà la couronne pour le nuage le plus activement formant des étoiles, nous avons sous-estimé la formation totale des étoiles dans SGR B2 », expliquent les auteurs.
Le nuage particulièrement rouge de l'image Miri attire beaucoup d'attention parce que les observations avec d'autres télescopes ont révélé qu'elle est très moléculaire. Mais ces nouvelles images JWST sont la première fois que les astronomes les viennent si clairement. C'est brillant parce qu'il est hautement ionisé par des jeunes stars massives.
La question centrale sur SGR B2 et la CMZ est la raison pour laquelle la formation des étoiles est si élevée dans la première, mais déroutante, dans le second. Bien que ces observations ne puissent pas expliquer exactement pourquoi, les données détaillées recueillies par le JWST et ses puissants instruments Miri et Nircam peuvent conduire à une réponse éventuelle. « JWST dévoile des étoiles massives et des structures ionisées précédemment cachées, offrant une vision transformatrice de la façon dont les étoiles se forment dans certaines des conditions galactiques les plus extrêmes », écrivent les auteurs.
En découvrant une double population d'étoiles massives révélées à faible textinction à faible extinction et cachées à haute extinction, le JWST a montré que d'autres télescopes ont manqué une fraction significative de la formation d'étoiles dans SGR B2 qui était obscurcie par la poussière. Au-delà de cela, le télescope a trouvé plus d'une douzaine de régions Hii qui étaient auparavant inconnues.
Ces régions contiennent de l'hydrogène ionisé, qui indique aux astronomes que les jeunes étoiles chaudes ont récemment formé et ionisé l'hydrogène avec un rayonnement UV puissant.
Les humains ont une longue histoire de regard sur le cosmos en merveille, d'identifier des choses qui ont besoin d'une explication, puis de travailler vers une solution. Nous nous demandons et les nomades intellectuels, et de puissants outils technologiques comme le JWST ont amplifié notre sens de l'émerveillement.
« Les humains étudient les étoiles depuis des milliers d'années, et il y a encore beaucoup à comprendre », a déclaré Nazar Budaiev, étudiant diplômé à l'Université de Floride et enquêteur co-principale de l'étude. « Pour tout ce que New Webb nous montre, il y a aussi de nouveaux mystères à explorer, et c'est excitant de faire partie de cette découverte en cours. »
