La formation des étoiles dans l’univers suit une formule mathématique courante dans la nature

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La densité de taux de formation d’étoiles cosmiques observée a une évolution qui ressemble à une distribution Γ(a, bt) et peut être décrite avec succès par seulement deux paramètres.


Comprendre comment se forment les étoiles dans notre Univers est l’un des principaux objectifs de l’Astrophysique. Afin de répondre à cette question, les astronomes s’appuient généralement sur la lumière observée qu’ils détectent dans leurs télescopes. De nos jours, cette lumière est analysée par des méthodes informatiques sophistiquées qui nous donnent des estimations de la formation d’étoiles au sein de ces galaxies et de l’Univers.

Cette procédure a été si fondamentale pour la communauté scientifique que des modèles et des simulations typiquement théoriques de la formation des galaxies sont réglés pour reproduire ces «observables». Une étude récente dirigée par le Dr Antonios Katsianis, chercheur à l’Institut Tsung-Dao Lee de l’Université Jiao Tong de Shanghai, a compilé les observations de millions de galaxies et construit un modèle simple pour étudier l’évolution de la formation des étoiles dans l’Univers. Les résultats sont élégants mathématiquement et physiquement motivés. Cependant, de graves problèmes sont signalés concernant les pratiques utilisées sur le terrain.

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L’auteur principal de cette étude rapporte une crise en astrophysique extragalactique. Afin d’obtenir des propriétés des galaxies comme le taux de formation d’étoiles ou la masse stellaire, différents chercheurs se sont appuyés sur différents modèles et hypothèses. Deux grandes surprises ont été que 1) nous rapportons en fait des résultats en tension les uns avec les autres depuis près d’une décennie puisque nous utilisons tous des méthodes et des outils différents (les méthodes de calcul sophistiquées mentionnées dans le premier paragraphe). 2) En plus de cela, la plupart des chercheurs sur le terrain laissent très peu de place à une erreur dans leurs résultats, la tension persiste et aucun d’entre nous ne peut finalement confirmer qui a raison (surtout pour les galaxies lointaines) puisque nous ne connaissons pas le vrai résultat.

Ainsi, les auteurs ont décidé de séparer les différents indicateurs/ensembles de données des taux de formation d’étoiles des galaxies en différentes catégories: a) un ensemble de données UV avec corrections de poussière b) un ensemble de données IR. Les deux indicateurs ont produit des résultats pour la formation d’étoiles qui présentent des différences clés. Cependant, la première conclusion principale de l’article était que les deux indicateurs suggèrent une évolution du taux de formation d’étoiles cosmiques qui peut être décrite par seulement 2 paramètres et a une forme qui ressemble à une distribution Gamma(a,b). Cette forme mathématique a été largement utilisée dans de nombreux domaines comme la biologie (propagation des maladies infectieuses avec le temps) et l’ingénierie (pour modéliser la détérioration des bâtiments avec le temps).

Les auteurs ont noté qu’il existe de graves problèmes non seulement avec les observations mais aussi avec les simulations. Les limitations de ces derniers sont généralement liées aux limitations de calcul et à la modélisation. Ainsi, les auteurs ont décidé de rester simple et ont construit un modèle avec un stylo et du papier. Le modèle vient d’adopter certains paramètres du modèle standard de cosmologie et quelques informations issues de simulations et à la fois la forme et les 2 paramètres (!) qui décrivent l’évolution observée du taux de formation d’étoiles de l’Univers ont émergé!

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Cela représente une référence puisque dans le passé, la plupart des paramétrisations du taux de formation d’étoiles cosmiques ont été des ajustements empiriques aux données alors que les paramètres libres n’étaient pas directement liés à la physique des galaxies (pour référence, les modèles les plus courants dans la littérature ont utilisé 4 paramètres déterminés empiriquement). Les découvertes du groupe sont publiées dans le prestigieux Astrophysical Journal. Le professeur Xiaohu Yang a déclaré: “La partie la plus innovante de ce nouveau modèle est sa motivation physique. Les fonctions SFRD précédentes sont modélisées en fonction du décalage vers le rouge, un indicateur de la taille de l’Univers. Alors que ce nouveau modèle Gamma SFRD, en fonction du temps cosmique, est motivé par la physique de la formation des étoiles elle-même, par exemple, l’échelle de temps d’accrétion et d’épuisement des gaz”.

Le professeur Xian Zhong Zheng a quant à lui déclaré: “Les mesures de la densité du taux de formation d’étoiles cosmiques à l’aide de différents traceurs peuvent maintenant être mieux comprises. De plus, la formation d’étoiles dans une galaxie implique des processus complexes. Mais la formation d’étoiles globale de l’Univers semble être régie par certains des règles simples décrites par un formulaire qui ressemble à une distribution Gamma et seulement 2 paramètres. C’est vraiment une surprise!”.  Les chercheurs continueront d’explorer les implications de leurs découvertes dans d’autres domaines connexes. Les chercheurs continueront d’explorer les implications de leurs découvertes dans d’autres domaines connexes.  Le Dr Antonios Katsianis a déclaré: «La formation des étoiles est l’un des processus les plus importants de l’Univers, de nombreux phénomènes devraient donc être étudiés et simplifiés, ce qui permettra de nouvelles découvertes et une meilleure compréhension de notre cosmos».

Voir la publication

Antonios Katsianis et al. “The Observed Cosmic Star Formation Rate Density Has an Evolution that Resembles a Γ(a, bt) Distribution and Can Be Described Successfully by Only Two Parameters”, 2021 The Astrophysical Journal, Volume 919, Number 2.

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