Premiers aperçus de l’usine d’étoiles hautement productive au centre de notre galaxie

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Grâce à des observations détaillées, les astronomes ont pour la première fois réussi à réaliser une étude représentative de nombreuses jeunes étoiles dans les régions centrales de notre galaxie à l’origine. La formation d’étoiles au centre galactique a donc commencé près du centre puis s’est poursuivie vers l’extérieur. Des schémas d’évolution similaires avaient déjà été observés au centre d’autres galaxies. Les résultats montrent également que la plupart des étoiles de cette région ne se sont pas formées en amas massifs étroitement liés, mais plutôt en associations stellaires lâches dont les étoiles membres se sont séparées depuis longtemps. Les résultats ont été publiés dans Nature Astronomy.


Figure 1. Image en fausses couleurs de la région du Sagittaire B1 dans le cadre de l’enquête GALACTICNUCLEUS. En utilisant les données sous-jacentes à cette image, Francisco Nogueras-Lara et ses collègues ont pu identifier trois millions d’étoiles au centre galactique et déterminer les propriétés importantes de la formation d’étoiles hautement productives dans cette région de notre galaxie d’origine. © F. Nogueras-Lara et al. / MPIA


Dans la région centrale de la Voie lactée, les étoiles sont beaucoup plus denses que dans d’autres parties de notre galaxie. Les astronomes nourrissent depuis longtemps l’espoir d’utiliser ces régions de notre galaxie d’origine comme une sorte de laboratoire pour étudier la formation stellaire particulièrement rapide et productive – un phénomène qui se produit dans de nombreuses autres galaxies, en particulier au cours du premier milliard d’années de l’histoire cosmique. Jusqu’à présent, cependant, cela s’est opposé au fait qu’il est difficile d’étudier systématiquement ces étoiles, précisément en raison du grand nombre d’étoiles au centre galactique.

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Une nouvelle analyse basée sur une enquête infrarouge à haute résolution, maintenant publiée dans la revue Nature Astronomy, fournit désormais la première reconstruction représentative de l’histoire de la formation des étoiles dans la région centrale galactique. Cela montre également que la plupart des jeunes étoiles du centre galactique ne se sont peut-être pas formées en amas d’étoiles massifs gravitationnellement étroitement liés, mais plutôt en associations stellaires beaucoup moins étroitement liées dont les étoiles se sont dispersées au cours des derniers millions d’années.

Galaxies productives et improductives

Notre Voie lactée n’est pas une galaxie très productive. Les nouvelles étoiles qui se forment dans notre galaxie d’origine en un an ne représentent pas plus de quelques masses solaires. Les galaxies dites “starburst” sont bien plus efficaces : Lors de courts épisodes de quelques millions d’années seulement, des dizaines voire des centaines de masses solaires de nouvelles étoiles se forment chaque année ! Il y a dix milliards d’années, ce type d’activité élevée de formation d’étoiles, produisant des dizaines de masses solaires de nouvelles étoiles chaque année, semble avoir été la norme même pour les galaxies.

Pour les astronomes, notre Voie lactée n’est pas seulement intéressante en soi, mais aussi toujours un outil qui peut être utilisé pour en savoir plus sur les propriétés des galaxies en général. Après tout, la Voie Lactée est la seule galaxie que nous puissions étudier de près ! Cependant, étant donné la faible activité de formation d’étoiles de notre galaxie d’origine, on pourrait penser qu’elle ne peut pas nous aider à mieux comprendre les sursauts d’étoiles et les autres phases de formation d’étoiles hautement productives. Mais ce serait une fausse conclusion : dans les régions centrales de la Voie lactée, jusqu’à une distance d’environ 1300 années-lumière du trou noir central de notre galaxie, les taux de formation d’étoiles au cours des 100 derniers millions d’années étaient dix fois plus élevés. que la moyenne. La région centrale de notre galaxie est aussi productive qu’une galaxie en étoile ou que les galaxies hyperproductives d’il y a dix milliards d’années.

Les défis de l’observation des régions centrales galactiques

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Cependant, il n’est pas si facile d’examiner de plus près ces régions centrales. Tout d’abord, vus de la Terre, ils sont cachés derrière de grandes quantités de poussière. Mais au moins ce problème peut être facilement résolu si l’on effectue les observations avec des rayonnements infrarouges, millimétriques ou radio. Avec la lumière de telles longueurs d’onde, on peut largement voir à travers les nuages ​​de poussière. C’est ainsi que les groupes d’Andrea Ghez et de Reinhard Genzel ont réalisé leurs observations, lauréates du prix Nobel, d’étoiles en orbite autour du trou noir central de notre galaxie (observations dans le proche infrarouge), et comment la collaboration Event Horizon a créé la première image de l’ombre du trou noir central de notre galaxie (observations avec ondes millimétriques à 1,3 mm).

Cependant, ce n’est pas le seul problème. Précisément parce que les étoiles sont si denses au centre galactique, les études systématiques de ces étoiles sont un défi. Difficile de distinguer une étoile d’une autre dans une foule aussi dense ! Seule exception, les étoiles géantes isolées, très brillantes, particulièrement lumineuses, se détachent ainsi de la foule et sont donc relativement faciles à distinguer des autres.

Le problème de l’étude des étoiles individuelles dans cet essaim occupe les astronomes depuis plusieurs années. Il ne fait aucun doute que ces régions ont connu une formation d’étoiles hautement productive au cours des 1 à 10 derniers millions d’années – la présence d’hydrogène gazeux, qui est décomposé (ionisé) en ses éléments constitutifs par la lumière UV des jeunes étoiles chaudes et Le rayonnement X, caractéristique de certains types d’étoiles jeunes et très massives, en est la preuve. Mais la question “… où sont les jeunes étoiles qui en résultent ?” restait ouverte. Avant la nouvelle analyse décrite ici, les astronomes n’avaient trouvé qu’environ 10% de la masse stellaire totale attendue au centre galactique – dans deux amas d’étoiles massifs ainsi que sous la forme de quelques jeunes étoiles isolées. Où étaient toutes les autres étoiles et quelles étaient leurs propriétés?

Des millions de données d’étoiles à partir d’une enquête détaillée

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Telle était la question initiale des auteurs de l’article récemment publié. Francisco Nogueras-Lara, chercheur indépendant Humboldt dans le groupe Lise Meitner de Nadine Neumayer à l’Institut Max Planck d’astronomie, et son collègue Rainer Schödel de l’Instituto de Astrofísica de Andalucía à Grenade, en Espagne, étaient particulièrement bien placés Position de départ pour le rechercher les jeunes étoiles manquantes au centre galactique : Schödel est le chercheur principal (PI) de GALACTICNUCLEUS. Dans le cadre de ce relevé, près de 150 images (dans les bandes infrarouges J, H et Ks) de la région centrale de la Voie lactée ont été acquises avec la caméra infrarouge HAWK-I du Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire européen austral. Les images couvrent collectivement une zone de 64 000 années-lumière carrées autour du centre galactique.

La recherche des jeunes étoiles disparues commence alors sous la direction de Nogueras-Lara. L’identification d’étoiles individuelles dans une région du ciel aussi peuplée nécessite une haute résolution – une capacité particulièrement bonne à voir et à distinguer de petits détails dans le ciel. Chacun des quatre télescopes du VLT possède un miroir de 8 mètres. En utilisant l’imagerie dite holographique – dans laquelle plusieurs images à courte exposition sont combinées de manière appropriée pour compenser les effets de flou de l’atmosphère terrestre – l’enquête a réussi à cartographier la région cible beaucoup plus finement que jamais auparavant (avec une résolution de 0,2 secondes d’arc). Alors qu’auparavant seule une poignée d’étoiles pouvait être cartographiée, GALACTICNUCLEUS a fourni des données individuelles pour 3 millions.

Propriétés des étoiles au centre galactique

Lorsque les chercheurs ont examiné les images (en fausses couleurs) de l’enquête GALACTICNUCLEUS, la région du centre galactique connue sous le nom de Sagittarius B1 a immédiatement attiré leur attention. Cette région contient beaucoup plus d’étoiles jeunes que les autres régions, ionisant le gaz environnant – cela est clairement visible sur les images de la région. Cette particularité de la région n’est pas une surprise. Des observations antérieures, en particulier de la lumière caractéristique de l’hydrogène gazeux ionisé par des étoiles chaudes, avaient montré que c’était le cas. Mais grâce aux données haute résolution de GALACTICNUCLEUS, Nogueras-Lara et ses collègues ont pu pour la première fois examiner en détail les étoiles de cette région.

Même avec leur étude à haute résolution, les astronomes ne pouvaient étudier les étoiles géantes qu’individuellement (et non les étoiles dites de la séquence principale comme notre Soleil), mais les données des trois millions d’étoiles qu’ils ont pu étudier séparément contenaient déjà une mine d’informations. En particulier, les astronomes ont pu déduire la luminosité de chaque étoile individuelle. Pour ce faire, ils ont dû documenter et calculer l’atténuation de la lumière des étoiles due à la poussière entre nous et l’étoile en question. Toutes les étoiles du Sagittaire B1 sont à peu près équidistantes de la Terre, et la distance de la Terre au centre galactique est connue. Grâce à ces informations, les astronomes ont pu reconstituer la luminosité de chaque étoile, c’est-à-dire la quantité de lumière qu’une étoile émet par unité de temps.

Reconstitution de l’histoire de la formation des étoiles au centre galactique

La distribution statistique de la luminosité de ces étoiles est particulièrement intéressante, c’est-à-dire combien d’étoiles de chaque “niveau de luminosité” se trouvent dans le Sagittaire B1. Pour les étoiles nées au même moment, cette distribution de luminosité évolue dans le temps de manière régulière et prévisible. À l’inverse, au moins une histoire approximative de la formation des étoiles peut être dérivée d’une telle distribution de luminosité : combien d’étoiles se sont formées il y a plus de 7 milliards d’années ? Environ combien entre 2 et 7 milliards d’années ? Combien récemment ? La distribution de luminosité fournit au moins une réponse statistique à ces questions.

Lorsque Nogueras-Lara, Neumayer et Schödel ont analysé la distribution de luminosité, ils ont découvert que Sagittarius B1 avait en fait plusieurs phases de formation d’étoiles : une population d’étoiles plus ancienne, formée il y a 2 à 7 milliards d’années, et une grande population d’étoiles beaucoup plus jeunes qui étaient seulement 10 millions d’années ou même plus jeune. Nogueras-Lara déclare : “C’est une avancée significative dans la recherche de jeunes étoiles au centre galactique. Les jeunes étoiles que nous avons trouvées ont une masse totale de plus de 400 000 masses solaires. C’est presque dix fois la masse combinée des deux amas d’étoiles massifs précédemment connus dans la région centrale”.

Quand la formation des étoiles va de l’intérieur vers l’extérieur

Figure 2. Les régions étudiées (les champs Sgr B1, contrôle et disque nucléaire central) sont tracées sur une image Spitzer 4,5 μm. La croix ombrée noire indique une région de faible complétude dominée par l’amas d’étoiles nucléaires qui a été exclu de l’analyse du champ central. Les positions des clusters Arches et Quintuplet et Sgr A* sont indiquées. Le gros plan de la région indiquée par la boîte blanche de gauche est une image en fausses couleurs de JHKs GALACTICNUCLEUS, avec des dimensions de 8 pc et 18,5 pc. Le rectangle en pointillés indique la région d’émission intense de poussières chaudes qui a été spécifiquement étudiée. Deux étoiles Wolf-Rayet dans la région analysée sont indiquées par des cercles blancs. © Nogueras-Lara et al., NATURE ASTRONOMY.

Les étoiles étudiées dans la région du Sagittaire B1 ne font pas partie d’un amas d’étoiles massif, mais plutôt réparties de manière lâche. Cela indique qu’ils sont apparus dans une ou plusieurs associations dites stellaires. En raison de leur gravité mutuelle, leurs étoiles sont moins fortement liées les unes aux autres dès le départ. Sur leur orbite autour du centre galactique, de telles associations stellaires se dissiperaient complètement sur des échelles de temps de plusieurs millions d’années – laissant derrière elles de nombreuses étoiles individuelles. Et même si ce résultat concerne directement le Sagittaire B1 pour l’instant, il pourrait expliquer en général pourquoi les jeunes étoiles du centre galactique ne peuvent être trouvées que par des études à haute résolution comme le présent travail : si une grande partie d’entre elles se sont également formées dans les associations stellaires lâches, qui se sont depuis résolues en étoiles individuelles.

Les populations stellaires plus anciennes du Sagittaire B1 sont également intéressantes. Dans les régions les plus internes du centre galactique, il y a des étoiles âgées de plus de 7 milliards d’années, mais pratiquement aucune étoile d’âge moyen entre 2 et 7 milliards d’années. Cela suggère que la formation d’étoiles dans la région centrale a commencé dans la région la plus intérieure, puis s’est propagée aux régions extérieures. Pour d’autres galaxies, une telle tendance spatiale générale dans la formation d’étoiles, de l’intérieur vers l’extérieur, a déjà été observée pour le disque stellaire interne central (“disque nucléaire” ; un disque d’étoiles entourant le centre galactique respectif). Selon la nouvelle analyse, il y avait une tendance spatiale très similaire dans la région centrale de notre galaxie d’origine.

Prochaines étapes

Aussi convaincantes que soient déjà les preuves des images infrarouges, à la fois pour reconstruire l’histoire de la formation des étoiles et pour la tendance générale de la formation des étoiles, les astronomes sont impatients de fonder leurs conclusions sur une base encore plus solide. À cette fin, Nogueras-Lara et ses collègues prévoient de poursuivre leurs observations avec l’instrument KMOS du VLT, un spectrographe de haute précision. Les conclusions de l’étude maintenant publiée sur la formation des étoiles ont été faites statistiquement, sur la base de la distribution des luminosités des étoiles identifiées. Les observations spectrales permettraient aux astronomes d’identifier directement certaines des très jeunes étoiles par l’apparence de leurs spectres. Ce serait un moyen important de vérifier les résultats qui sont maintenant publiés.

De plus, les astronomes veulent suivre les mouvements des étoiles nouvellement découvertes dans le ciel – c’est ce qu’on appelle le mouvement propre de ces étoiles. Près du centre galactique, les étoiles se déplacent relativement vite. Ainsi, bien que ces étoiles soient à environ 26 000 années-lumière de la Terre, une observation attentive sur quelques années permettra de mesurer leurs changements de position dans le ciel. Les étoiles formées dans le même amas stellaire se dispersent dans le temps, tout en conservant une direction de mouvement à peu près constante. Des conclusions pourraient donc être tirées des mouvements appropriés pour savoir si les étoiles du Sagittaire B1 sont réellement nées dans un ou plusieurs amas lâches.

En conclusion, Nadine Neumayer a déclaré : “Les deux types de mesures permettront, espérons-le, de confirmer les résultats que nous avons publiés. Dans tous les cas, nous pourrons affiner notre analyse avec les nouvelles mesures. En parallèle, nous et nos collègues étudierons ce qui peut être déduit de nos nouvelles connaissances sur la formation d’étoiles dans le centre galactique sur la formation d’étoiles hautement productives dans d’autres galaxies”.

Source : Max Planck Institute for Astronomy.

Voir la publication

Nogueras-Lara, F., Schödel, R. & Neumayer, N. Detection of an excess of young stars in the Galactic Centre Sagittarius B1 region. Nat Astron (2022). doi : 10.1038/s41550-022-01755-3

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