Mise à jour le 19 Mai 2016

CONFÉRENCE
«LES SITES DE FORMATION DES ÉTOILES

LES DÉCOUVERTES DU TÉLESCOPE HERSCHEL»

Par Delphine RUSSEIL LAM Aix Marseille

Organisée par l'IAP

98 bis Bd Arago, Paris 14^ème

Le Mardi 3 Mai 2016 à 19H30

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos

Vidéos des conférences proposées par l’IAP sur Canal U

BREF COMPTE RENDU

Delphine Russeil est enseignant chercheur à l’Université Aix Marseille; elle a effectué aussi un post doc en Australie!

Son sujet ce soir : la formation des étoiles et ce que le télescope spatial Herschel nous a appris à ce sujet.

Le plan de la présentation :

·         L’Infra Rouge

·         La formation des étoiles

·         Le satellite Herschel les résultats.

·         Conclusion

1-LE RAYONNEMENT INFRA ROUGE.

Tout est dit sur cette slide ci-contre.

C’est William Herschel, résidant en Angleterre après avoir fui l’Allemagne envahie par les Français, qui découvre le rayonnement IR en mesurant les différentes températures des couleurs de l’arc en ciel. Un thermomètre de référence situé providentiellement situé après le rouge ; lui permet d’émettre l’idée qu’il existe « quelque chose » au-delà du rouge, il vient de  découvrir le rayonnement IR.

Tout corps est source de chaleur et émet un rayonnement IR principalement.

Le soleil émet dans le visible et dans l’IR (6000°C)

Une ampoule électrique aussi mais moins chaud 2000°C

Un corps humain est typiquement dans l’IR approx 10micron

L’émission de rayonnement obéit à une loi qui s’appelle « corps noir »,

C’est un objet dont le spectre électromagnétique n’est fonction que de la température, ce nom a été introduit par Kirchhoff à la fin du XIXème siècle.

Le corps noir a grandement aidé Planck dans sa théorie quantique.

Il existe une relation entre le pic de la courbe et la température ; plus il est froid plus il émet dans l’IR lointain puis dans le domaine micro ondes.

Le domaine de « visibilité » d’Herschel va de 70 à 500 microns.

Il doit nous permettre de voir entre les étoiles qui disparaissent de notre vue, la poussière interstellaire qui devient visible en IR.

Comme on voit ici Orion, à gauche dans le visible et à droite en IR par Herschel.

2-LA FORMATION DES ÉTOILES.

On s’intéressera d’abord aux étoiles moyennes, comme notre Soleil.

Les étoiles se forment dans des nuages moléculaires ; des surdensités apparaissent qui vont progressivement donner naissance à des proto étoiles.

Le cœur pré stellaire en rotation s’effondre, un disque d’accrétion de matière se forme, celle-ci s’accumule dans la partie centrale ; elle va donner naissance à une étoile par fusion nucléaire.

Tout ceci est résumé sur la slide de gauche.

Ces étoiles moyennes (jusqu’à approx 8 masses solaires) ont une évolution lente, le Soleil par exemple 10 Milliards d’années (Ga), des étoiles de plus faibles masses jusqu’à 200 Ga !

Elles terminent en géantes rouges puis en superbes nébuleuses planétaires.

Les différentes phases de formation de ces étoiles de masse moyenne.

Dans la partie gauche : le rayonnement de l’objet, au début classe 0 puis I, II et III. Il devient de plus en plus chaud.

La zone de visibilité d’Herschel (lignes verticales bleues) permet d’accéder idéalement aux deux premières phases de formation.

Les étoiles de forte masse.

Elles naissent au sein de cœurs moléculaires massifs.

Elles sont très chaudes et émettent fortement dans le domaine Ultra Violet (UV).

Ces UV ionisent fortement l’hydrogène qui les entoure, et qui devient ainsi une zone HII (rappelons que HI c’est l’Hydrogène neutre, HII l’hydrogène une fois ionisé H+, et HIII trois fois ionisé H++ etc..).

Elles ont une vie plus courte que les précédentes  et terminent dans une grande explosion : une super nova.

Ce sera une création de nouveaux éléments lourds qui viendront ensemencer l’espace..

Mais il existe un mystère concernant ces étoiles massives, ce fort rayonnement UV arrête l’accrétion de matière (la pression de radiation est très forte), donc théoriquement, l’étoile ne devrait pas pouvoir devenir massive, or on observe des étoiles massives et même très massives. Où est l’erreur ?

Herschel devrait nous permettre de comprendre.

3-HERSCHEL ET LA FORMATION DES GALAXIES.

La description de cet extraordinaire observatoire spatial a déjà été donnée de nombreuses fois dans ces colonnes.

Néanmoins on rappelle que c’est le plus gros télescope spatial à ce jour (3,5m de diamètre) et qu’il comporte 3 instruments  de mesure principaux :

·         Instrument hétérodyne pour l'observation dans l'infrarouge lointain (HIFI) (Heterodyne Instrument for Far-Infrared)

·        L'instrument HIFI permet l'observation d'un seul point dans le ciel 7 récepteurs hétérodynes et un spectromètre à très haute résolution spectrale dans la bande 157-610µm.

·         Photodétecteur et spectromètre à grand champ (PACS) (Photoconductor Array Camera and Spectrometer)

·        Photomètre imageur dans le bleu et le rouge, sensibles aux longueurs d'onde 60-130µm et 130-210µm, dont les détecteurs sont des bolomètres (thermomètres) Un spectromètre couvrant les bandes 60-120µm et 120-210µm.

·         Récepteur d'imagerie spectrale et photométrique (SPIRE) (Spectral and Photometric Imaging Receiver)

·        L'instrument SPIRE permet l'observation simultanée d'une vaste région du ciel. Il s'agit d'une caméra infrarouge et d'un spectromètre.

Un photomètre imageur composé aussi de bolomètres dans 3 bandes de longueur d'onde centrées sur 250  350 et 500µm Un spectromètre à transformée de Fourier composé aussi de bolomètres 200 à 670µm

Ces instruments sont refroidis grâce à un cryostat à -272°C !!!

La résolution spatiale de cet observatoire est de très haute résolution : 6 à 36 arcsec permettant une couverture du plan galactique impressionnante.

On voit notamment ici les raies de l’eau et de molécules organiques dans ce spectre de la nébuleuse d’Orion, pouponnière d’étoiles proche de nous. Spectre obtenu par l’instrument HIFI dans le cadre du programme HEXOS (Herschel observations of EXtra-Ordinary Sources).

Crédits: ESA, HEXOS et le consortium HIFI

D’après le consortium :

« Une des caractéristiques du spectre d'Orion est sa richesse spectrale: parmi les molécules qui ont été identifiées dans ce spectre, il y a l'eau, le monoxyde de carbone, le formaldéhyde, le méthanol, le diméthyl éther, le cyanure d'hydrogène, l'oxyde de soufre, le dioxyde de soufre, et leurs isotopomères.

On s'attend également à ce que de nouvelles molécules organiques soient identifiées »

Maintenant, depuis Avril 2013, la mission  d’Herschel est terminée, sa réserve d’Hélium est épuisée.

Mais les scientifiques sont toujours en train de dépouiller ses nombreuses données.

Notamment cette vue de la galaxie dont on peut voir l’image complète en HR en cliquant dessus :

Copyright ESA/PACS & SPIRE Consortium, S. Molinari, Hi-GAL Project  datée du 28/04/2014

Dans l’image complète IR on se rend compte de l’étendu et de la précision des instruments d’Herschel.

Le disque galactique est rempli de d’un mélange de poussières et de gaz, le milieu interstellaire (ISM en anglais) ; ces nuages  quand ils deviennent plus denses déclenchent la formation d’étoiles.

Indiqué par une flèche : cette bulle presque parfaite  qu’est la région RCW 120.

Si la poussière est partout, il existe aussi des zones filamenteuses au cœur des galaxies, qui sont le lieu de formation d’étoiles.

C’est la première fois que l’on voit, grâce à Herschel, ces lieux de formation.

Quand une étoile massive rayonne (UV) elle ionise le gaz environnant (HI devient HII) qui devient chaud (10.000K typique).

La pression à l’intérieur de cette région HII devient plus grande que la pression extérieure contenant du gaz froid.

Donc par principe physique, la zone HII entre en expansion (supersonique !), et sa taille augment, sa densité diminue.

Cette pression  interne à un moment va percer son enveloppe extérieure et provoquer un échappement de cet hydrogène ionisé dans l’autre milieu.

Cette explosion provoque une onde de choc, et cette couche de surdensité va favoriser la formation d’étoiles.

On voit ici une région HII en expansion.

Des instabilités à grande échelle (en 2) donnent des fragments massifs qui serviront de graines pour les futures étoiles,  puis en 3 le rayonnement agit sur le milieu ambiant.

La phase 4 correspond à la compression radiative des condensations précédentes.

4-CONCLUSION.

Le disque galactique est dominé par des filaments de poussières froides.

Les étoiles se forment le long de ces filaments ou sur le bord  des régions HII.

Les prochains observatoires comme ALMA  et NOEMA devaient nous aider à y voir plus clair.

POUR ALLER PLUS LOIN :

The formation of massive stars  par Andrea Stolte.

Herschel un an après son lancement  conférence de presse

Herschel et l’instrument HIFI par l’équipe HIFI.

Herschel révèle la face cachée de la naissance des étoiles par l’ESA.

Herschel Observations of Nearby Interstellar Filaments par Philippe André CEA.

CCAT surveys of molecular clouds: probing the origin of stars par le future telescope CCAT.

Polarization measurements of Galactic regions par l’IPAG.

Formation stellaire induite par les régions d’hydrogène ionisé par le LAM

Le site d’Herschel.

La formation des galaxies : CR de la conférence SAF de David Elbaz du 13 nov 2013

Herschel et l'astro IR : CR de la conf SAF de V Minier le 14 Oct 2009

Le satellite Herschel : CR de la conf. IAP de Laurent Vigroux du 9 Novembre 2010

Le télescope Herschel : CR de la conf de M Sauvage et J Dauphin aux RCE 21010 le 12nov 2010

ESA/ESTEC/Herschel : CR de visite du satellite Herschel et de l'ESTEC le 21 Janv 2009

Herschel et l'astro IR : CR de la conf SAF de V Minier le 14 Oct 2009

Bon ciel à tous !

Jean Pierre Martin .Commission de Cosmologie de la SAF.

www.planetastronomy.com

Les autres CR des conférences IAP.

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