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 Formation des étoiles massives

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MessageSujet: Formation des étoiles massives   Mer 28 Jan - 9:41

Le secret de la formation des étoiles massives a été découvert !
Par Laurent Sacco, Futura-Sciences
D'après certains arguments théoriques, la masse maximale d'une étoile devrait être d'environ vingt fois celle de notre Soleil. Or, plusieurs dépassent les cent masses solaires... L’énigme vient d’être résolue grâce à des simulations sur ordinateur. La clé provient de l’apparition de la célèbre et ubiquiste instabilité de Rayleigh-Taylor.

La théorie de la structure stellaire lie la masse d’une étoile à sa luminosité. Cette relation a été testée grâce aux lois de Kepler appliquées à des couples d'étoiles (des systèmes binaires). On sait aussi, notamment grâce aux travaux de James Jeans, dans quelles conditions un nuage moléculaire devient instable et s’effondre pour donner par fragmentation un amas ouvert d’étoiles. Lors du processus d’effondrement, l’énergie gravitationnelle est convertie en chaleur qui à son tour est dissipée sous forme de rayonnement.

Ce mécanisme, qui avait été proposé par Kelvin et Helmholtz pour rendre compte de la luminosité du Soleil, opère lors des premiers stades de la formation d’une étoile, avant que les réactions thermonucléaires ne s’y enclenchent. Durant cette phase, le nuage de gaz et la protoétoile qui s’y forme s’échauffent. Mais l’émission de la lumière produit une pression de radiation (la relation entre les deux est donnée par le vecteur de Poynting). Le flux de lumière émis peut de cette manière contrecarrer la force de gravitation de la protoétoile accrétant du gaz.

On peut associer à un nuage de gaz de masse et de taille données un temps de chute libre permettant d’estimer en combien de temps il se contractera et un temps de Kelvin-Helmholtz, estimation de la durée pendant laquelle la protoétoile, ici le nuage de gaz en contraction et s'échauffant, restera lumineuse en utilisant son énergie gravitationnelle de contraction. Or, dans le cas d’un nuage dépassant les 20 masses solaires, le temps de Kelvin-Helmholtz est inférieur au temps de chute libre. Ce qui est paradoxal... En effet, la contraction gravitationnelle, formant la protoétoile et générant de la lumière, se produit pendant le temps de chute libre. Lorsque celle-ci s'arrête, il n'y a plus de contraction... Il ne s'agit bien sûr que d'une estimation grossière mais elle indique qu'au-delà de 20 masses solaires, le flux de radiation est si puissant qu'il s'oppose définitivement à la contraction gravitationnelle du nuage de gaz sur la protoétoile qui ne peut donc plus grossir.

Voilà qui est troublant. On ne devrait donc trouver nulle part des étoiles dépassant la masse de Bételgeuse. Or, ce n’est pas le cas...

Plusieurs exemples d’étoiles atteignant pas loin de 100 masses solaires sont connus, comme dans l’amas des Arches, mais l’un des plus célèbre est Pismis 24 dans la nébuleuse NGC 6357. Toutefois, lorsqu'on s'approche des 150 masses solaires, une seconde limite intervient qui, elle, semble bien conforme aux observations. Il s'agit de la limite d'Eddington.

Les modèles oubliaient un phénomène bien connu

Mark Krumholz est professeur d’astrophysique et d’astronomie à l’université de Santa Cruz et avec des collègues du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), il a passé plusieurs années à mettre au point un programme de simulation numérique en 3D spécialement adapté pour comprendre ce qui se passe quand un nuage moléculaire s’effondre pour former des étoiles massives.

Lui et ses collègues n'avaient pas précisément l'objectif de résoudre le problème de l’existence d'étoiles dépassant les 20 masses solaires. Mais ils ont eu la surprise de découvrir que les simulations numériques de l’hydrodynamique de l’effondrement de nuages dépassant les 20 masses solaires, couplée au transfert du rayonnement, autorisaient sans aucun problème l’apparition d'étoiles plus massives que Bételgeuse. Dans la formation de telles étoiles, un autre phénomène intervient, connu en astrophysique mais surtout en géophysique : l’instabilité de Rayleigh-Taylor.

Le principe en est simple. On peut se le représenter en imaginant deux couches de liquides dont le plus dense est au-dessus du plus léger, par exemple une couche d’eau plus salée en recouvre une qui l’est moins (une situation qui survient parfois dans l'océan), ou encore une couche d’huile au-dessous d’une couche d’eau. L'instabilité gravitationnelle qui en résulte provoque la pénétration de zones en forme de doigts, de la couche la plus dense dans la moins dense et inversement. Des structures particulières en forme de globules apparaissent, connues en géologie dans les diapirs. De fait, les remontées de roches moins denses à travers des couches de roches plus denses, comme les dômes salins, sont des exemples célèbres d’instabilités de Rayleigh-Taylor.

Dans les simulations numériques qu’ils ont effectuées, les chercheurs sont partis d’un nuage de gaz de 100 masses solaires, d'une température de 20K et d'un diamètre de 0,1 pc (parsec). Une protoétoile géante s'y forme par effondrement en 3.600 ans et continue à accréter du gaz pendant 20.000 ans environ. Le nuage initialement plus ou moins sphérique s’aplatit pour former un disque et quand la masse de la protoétoile dépasse les 20 masses solaires l’accrétion peut se poursuivre grâce aux développements de filaments de gaz, conformément au phénomène de l’instabilité de Rayleigh-Taylor, comme on peut le voir sur deux images issues des simulations.

Comme ils l’expliquent dans un article de Science, les astrophysiciens ont aussi découvert que d’autres protoétoiles moins massives se forment dans le disque entourant la protoétoile centrale massive. Au bout de 35.000 ans, ces petites étoiles fusionnent et l’on se retrouve en général avec deux étoiles. Ce résultat n’est pas surprenant, on sait en effet que les étoiles vivent en général en couple et des systèmes triples ne sont pas rares non plus. Dans les simulations qu’ils ont effectuées sur des durées correspondant à 55.000 ans, les chercheurs ont par exemple trouvé que deux étoiles respectivement de 41,5 et 29,2 masses solaires s’étaient formées (La première masse est en fait la plus élevée trouvée dans les différentes simulations).

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/astronomie/d/le-secret-de-la-formation-des-etoiles-massives-a-ete-decouvert_18061/
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MessageSujet: Enorme formation d'étoiles aux limites des lois physiques   Dim 8 Fév - 8:01

Comment les premières étoiles ont été formées ? Des indications concrètes ont été trouvées pour la première fois par une équipe internationale de chercheurs, dont un directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de...) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de...). En observant l'une des galaxies les plus éloignées connue à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux...) (un quasar (En astronomie, un quasar (pour source de rayonnement quasi-stellaire, quasi-stellar en anglais) est une source...) formé moins d'un milliard d'années après le Big Bang) ils ont réussi à dénicher un nombre (Un nombre est un concept caractérisant une unité, une collection d'unités ou une fraction d'unité.) gigantesque d'étoiles en son coeur, un chiffre (Un chiffre est un symbole, représentant une valeur numérique, employé pour représenter des nombres. Le mot...) si énorme qu'il approche les limites des lois physiques. Cette découverte est d'autant plus intéressante qu'elle réfute une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage...) longtemps nourrie selon laquelle les premières étoiles se seraient formées de manière dispersée dans tout le volume (En physique, le volume d'un objet mesure « l'extension dans l'espace » qu'il possède dans les trois...) des jeunes galaxies. La détection a pu être réalisée grâce à l'interféromètre du Plateau de Bure de l'IRAM (Institut de Radioastronomie (La radioastronomie est une branche de l'astronomie qui s'occupe de l'observation du ciel dans le domaine des ondes...) Millimétrique: CNRS-INSU, MPG, IGN) dans les Hautes-Alpes. Ces résultats sont publiés dans Nature du 05 février 2009.





La galaxie observée par les scientifiques, J1148+5251, est l'une des galaxies actives les plus éloignées de la Terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant...). Elle est à 12,8 milliards d'années lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des...): les images captées montrent la galaxie dans son état il y a 12,8 milliards d'années, soit moins d'un milliard d'années après le Big Bang (Le Big Bang[1] désigne l’époque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a environ 13,7 milliards...) ! Pour cartographier une source à une telle distance, le télescope (Un télescope (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir ») est un...) utilisé doit être en mesure de distinguer une pièce d'un euro à 18 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini...), ce qui est le cas pour l'interféromètre du Plateau de Bure. Grâce à l'observatoire de l'IRAM, les astronomes ont détecté dans ce quasar la raie émise par l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la...) de carbone (Table complète - Table étendue) dans son état ionisé, ion qui joue un rôle essentiel dans le refroidissement du gaz (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi...) interstellaire, et donc dans la formation des étoiles. Cette raie, émise dans le domaine infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la...) lointain (à 158 microns), est inobservable du sol ; mais avec l'expansion de l'Univers (On nomme univers l'ensemble de tout ce qui existe, comprenant la totalité des êtres et des choses (celle-ci comprenant...), elle se trouve "décalée" dans le domaine radio millimétrique (à 1 millimètre) pour cet objet situé aux confins de l'Univers et devient donc observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle...) par les radiotélescopes de l'interféromètre du Plateau de Bure. C'est ainsi que les astronomes ont mis en évidence une immense activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) de formation stellaire au coeur de cette galaxie, si élevée qu'elle effleure les limites des lois de la physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ...).

Des étoiles se forment lorsqu'un nuage interstellaire (En astronomie, nuage interstellaire est le nom générique donné aux accumulations de gaz et de poussières dans notre...) de gaz et de poussière s'effondre sous sa propre gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), s'échauffant progressivement. Le rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement...) qui naît de ce processus disperse les nuages de gaz et de poussière et les empêche de s'effondrer à nouveau. Ainsi, le processus de formation d'étoiles se trouve arrêté. Il y a donc une limite d'étoiles naissantes par période et par région de formation stellaire.

"Cette limite est atteinte dans J1148+5251 !", explique Fabian Walter, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile...) au Max-Planck-Institut für Astronomie (Avec plus de 6 000 ans d'Histoire, l'astronomie est probablement la plus ancienne des sciences naturelles, ses origines...) à Heidelberg (Allemagne). "Dans notre Galaxie, des conditions aussi extrêmes, comparables à celles de J1148+5251, ne se trouvent que dans de petites régions, comme dans certaines parties de la nébuleuse d'Orion. Mais ce que nous avons observé correspond à la formation de trois soleils par jour, un taux de formation cent millions de fois celui d'Orion !".

Pour la première fois, les scientifiques ont également réussi à mesurer l'étendue de la région de formation stellaire. Celle-ci n'est que de 5 000 années-lumière, un chiffre relativement faible. "Le résultat est surprenant", constate Fabian Walter. "Dans cette galaxie, les étoiles qui se forment chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la...) ont une masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur...) totale de plus de 1 000 fois la masse de notre Soleil ((pourcentage en masse)), et cela dans une région relativement petite selon les normes astronomiques". En comparaison, la masse de toutes les étoiles qui naissent dans notre Galaxie ne fait qu'une masse solaire (En astrophysique, la masse solaire est l'unité de masse conventionnellement utilisée pour les étoiles ou les autres...) par an. Grâce aux mesures récoltées, les scientifiques pourront procéder aux premiers calculs des taux de formations d'étoiles par volume ainsi qu'aux comparaisons avec de modèles de formations stellaires déjà existants.

Il y a une autre raison pour laquelle ces mesures se révèlent spectaculaires: l'intense formation stellaire dans une région centrale de la galaxie montre clairement que les étoiles se forment au coeur même des jeunes galaxies. Ce n'est qu'au fil du temps que cette région intérieure se remplit avec de jeunes étoiles et qu'elle atteint la taille habituelle des galaxies plus vieilles – par exemple en entrant en collision (On appelle collision le choc entre deux objets.) ou en fusionnant avec une autre galaxie. D'une importance cruciale, ces observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide...) permettront aux scientifiques non seulement d'améliorer les savoirs sur l'évolution des galaxies – y compris la nôtre – mais également d'élaborer des modèles probants de cette évolution.

"Le résultat marque une étape décisive dans l'étude des premières galaxies formées dans l'Univers" déclare Pierre Cox, Directeur de l'IRAM et membre de l'équipe internationale. " Il n'a été possible que grâce aux récents développements apportés à l'interféromètre du Plateau de Bure. Il préfigure d'autres observations d'objets aux confins de l'Univers qui permettront de mieux comprendre comment les galaxies se sont formées, de décrire leurs conditions apparemment extrêmes de formation stellaire ainsi que la relation entre la formation des étoiles et celle du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche...) massif central.".

http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=6277
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