Le satellite Webb de la NASA étudiera l’influence du rayonnement des étoiles massives sur leur environnement

Ce Communiqué de Presse publié par la NASA présente le projet d’observation qu’une équipe de l’IRAP coordonne, et dont l’objectif est d’observer la nébuleuse d’Orion au moyen du futur télescope spatial James Webb.

Dans une pouponnière d’étoiles proche baptisée nébuleuse d’Orion, de jeunes étoiles massives émettent des rayons ultraviolets lointains sur le nuage de poussière et de gaz dont elles sont issues. Cet intense rayonnement perturbe fortement le nuage en brisant les molécules, en ionisant les atomes et les molécules en leur ôtant leurs électrons, en chauffant le gaz ainsi que la poussière environnante. Une équipe internationale incluant des chercheurs de l’IRAP (Université de Toulouse III, CNRS et CNES) utilisera le télescope spatial James Webb de la NASA dont le lancement est prévu en octobre, afin d’étudier une partie du nuage irradié appelée barre d’Orion, et de mieux cerner l’influence des étoiles massives sur leur environnement, voire sur la formation de notre propre système solaire.

La barre d’Orion est une structure diagonale, en forme de crête, composée de gaz et de poussière, située dans le quadrant inférieur gauche de cette image de la nébuleuse d’Orion. Sculptée par le rayonnement intense des jeunes étoiles chaudes voisines, la barre d’Orion semble à première vue revêtir la forme d’une barre. Elle est probablement le prototype d’une région de photodissociation, ou PDR. Crédits : SCIENCE : NASA, ESA, Massimo Robberto (STScI, ESA), équipe du projet Trésor Orion du télescope spatial Hubble TRAITEMENT DES IMAGES : Alyssa Pagan (STScI)

« Le fait que les étoiles massives façonnent la structure des galaxies au travers de leurs explosions en supernovae est connu depuis longtemps. Mais ce que l’on a découvert plus récemment, c’est que les étoiles massives influencent également leur environnement, non seulement en tant que supernovae, mais également au travers des vents et des rayonnements qu’elles émettent au cours de leur existence », précise l’un des principaux chercheurs de l’équipe, Olivier Berné, astronome à l’IRAP.

Pourquoi la Barre d’Orion ?

La barre d’Orion est une structure de gaz et de poussière en forme de crête, située dans la spectaculaire nébuleuse d’Orion. Distante de quelque 1 300 années-lumière, cette nébuleuse est la région de formation d’étoiles massives la plus proche du Soleil. La barre d’Orion est sculptée par le rayonnement intense des jeunes étoiles chaudes voisines, et à première vue, elle semble avoir la forme d’une barre. Il s’agit d’une « région de photodissociation », ou PDR, où la lumière ultraviolette provenant d’étoiles jeunes et massives crée une zone de gaz et de poussière essentiellement neutre, mais chaude, entre le gaz entièrement ionisé entourant les étoiles massives et les nuages au sein desquels elles sont nées. Ce rayonnement ultraviolet influence fortement la chimie du gaz de ces régions et agit comme la plus importante source de chaleur.

Les PDRs se produisent là où le gaz interstellaire est suffisamment dense et froid pour demeurer neutre, mais pas assez dense pour empêcher la pénétration de la lumière ultraviolette en provenance des étoiles massives. Les émissions de ces régions constituent un outil d’étude unique des processus physiques et chimiques qui influent sur la matière située en périphérie des étoiles. Les processus de rayonnement et de perturbation des nuages sont à l’origine de l’évolution de la matière interstellaire dans notre galaxie et dans l’ensemble de l’univers, depuis l’époque précoce de l’intense formation des étoiles jusqu’à nos jours.

« La barre d’Orion est probablement le prototype d’un PDR », souligne Els Peeters, autre chercheur principal de l’équipe. Peeters est professeur à l’Université de Western Ontario et membre de l’Institut SETI. « La barre d’Orion a été étudiée de manière approfondie, elle est donc bien caractérisée. Elle est très proche, et vue de côté. Vous pouvez donc sonder les différentes régions de transition. Et parce qu’elle est proche, cette transition d’une région à une autre peut être observée au moyen d’un télescope doté d’une résolution spatiale élevée. « 

La barre d’Orion est représentative de ce que les scientifiques pensent être les conditions physiques difficiles des PDR dans l’univers il y a des milliards d’années. « Nous pensons qu’à cette époque, de nombreuses galaxies de l’Univers renfermaient des ‘Nébuleuses d’Orion' », précise Olivier Berné. « Nous pensons que la barre d’Orion peut être représentative des conditions physiques – du champ de rayonnement ultraviolet en l’occurrence – régnant dans ce que l’on appelle les ‘galaxies à sursaut’ qui dominent l’ère de la formation des étoiles, lorsque l’univers avait environ la moitié de son âge actuel. »

La formation de systèmes planétaires dans les régions interstellaires irradiées par de jeunes étoiles massives demeure une question ouverte. Des observations détaillées permettraient aux astronomes de comprendre l’impact du rayonnement ultraviolet sur la masse et la composition des étoiles et des planètes nouvellement formées.

En particulier, les études de météorites suggèrent que le système solaire s’est formé dans une région similaire à la nébuleuse d’Orion. Observer la barre d’Orion permet donc de mieux comprendre notre passé. Elle constitue un modèle pour comprendre les toutes premières étapes de la formation du système solaire.

Ce graphique illustre la nature stratifiée d’une région de photodissociation (PDR) telle que la barre d’Orion. Autrefois considérées comme des zones homogènes de gaz chauds et de poussière, nous savons à présent que les PDR renferment une structure complexe et quatre zones distinctes. L’encadré de gauche montre une partie de la barre d’Orion dans la nébuleuse d’Orion. L’encadré en haut à droite illustre une région massive de formation d’étoiles dont les explosions de rayonnement ultraviolet affectent un PDR. L’encadré en bas à droite fait un zoom avant sur un PDR pour représenter ses quatre zones distinctes: 1) la zone moléculaire, une région froide et dense où le gaz est sous forme de molécules et où les étoiles pourraient se former; 2) le front de dissociation, où les molécules se décomposent en atomes lorsque la température augmente; 3) le front d’ionisation, où le gaz est dépouillé d’électrons, devenant ionisé, lorsque la température augmente considérablement; et 4) l’écoulement de gaz entièrement ionisé dans une région d’hydrogène atomique ionisé. Pour la première fois, le télescope James Webb pourra séparer et étudier les conditions physiques de ces différentes zones. Crédits: NASA, ESA, CSA, Jason Champion (CNRS), Pam Jeffries (STScI), équipe PDRs4ALL ERS

Tel un millefeuille spatial

On a longtemps pensé que les PDR étaient des régions homogènes de gaz chaud et de poussière. Les scientifiques savent désormais qu’ils sont particulièrement stratifiés, tel un millefeuille. En réalité, la barre d’Orion n’est pas une « barre » mais abrite une structure complexe et quatre zones distinctes, à savoir :

  • La région moléculaire, une zone froide et dense où le gaz se présente sous forme de molécules et où des étoiles pourraient se former;
  • Le front de dissociation, où les molécules se décomposent en atomes à mesure que la température augmente;
  • Le front d’ionisation, où le gaz est dépourvu d’électrons, et s’ionise à mesure que la température augmente considérablement;
  • Le flux de gaz entièrement ionisé dans une région d’hydrogène atomique ionisé.

« Grâce au télescope James Webb, nous pourrons séparer et étudier les conditions physiques régnant au sein des diverses régions, qui s’avèrent totalement différentes », souligne Emilie Habart, qui figure parmi les chercheurs principaux de l’équipe. Habart est scientifique à l’Institut français d’astrophysique spatiale et maître de conférences à l’Université Paris-Saclay. « Nous étudierons le passage des régions très chaudes aux régions très froides. C’est la toute première fois que nous pourrons faire cela. »

Le phénomène de ces zones ressemble beaucoup à ce qui se passe avec la chaleur d’une cheminée. Lorsque vous vous éloignez du feu, la température baisse. De même, le champ de rayonnement change avec la distance à l’étoile massive. Similairement, la composition de la matière varie avec la distance à cette étoile. Avec Webb, les scientifiques pourront pour la première fois résoudre chaque région individuelle au sein de cette structure en couches dans le domaine infrarouge et la caractériseront complètement.

Ouvrir la voie aux observations futures

Ces observations s’inscriront dans le cadre du programme scientifique « Director’s Discretionary-Early Release », qui offre du temps d’observation à des projets sélectionnés au début de la mission du télescope. Ce programme permet à la communauté astronomique d’apprendre rapidement comment utiliser au mieux les capacités de Webb, tout en produisant une science robuste.

L’un des objectifs du travail sur la barre d’Orion est d’identifier les caractéristiques qui serviront de « modèle » pour les études futures des PDR plus éloignés. À de plus grandes distances, les différentes zones pourraient se fondre les unes aux autres. Les informations provenant de la barre d’Orion seront utiles pour interpréter ces données. Les observations de la barre d’Orion seront disponibles pour la communauté scientifique au sens large peu après leur collecte.

« La plupart de la lumière que nous recevons des galaxies très lointaines provient des ‘nébuleuses d’Orion’ qui peuplent ces galaxies », explique Olivier Berné. « Il est donc parfaitement logique d’observer dans les moindres détails la nébuleuse d’Orion qui se trouve près de nous afin de mieux comprendre les émissions en provenance de ces galaxies très lointaines qui contiennent de nombreuses régions de type Orion. »

Uniquement possible avec Webb

Grâce à sa position dans l’espace, à sa sensibilité et à sa résolution spatiale dans le domaine infrarouge, Webb offre une occasion unique d’étudier la barre d’Orion. L’équipe sondera cette région à l’aide des caméras et des spectrographes de Webb.

« It’s really the first time that we have such good wavelength coverage and angular resolution, » said Berné. « We’re very interested in spectroscopy because that’s where you see all the ‘fingerprints’ that give you the detailed information on the physical conditions. But we also want the images to see the structure and organization of matter. When you combine the spectroscopy and the imaging in this unique infrared range, you get all the information you need to do the science we’re interested in. »     

« C’est la toute première fois que nous disposons d’une si bonne couverture en longueur d’onde et d’une si bonne résolution angulaire », ajoute Olivier Berné. La spectroscopie nous permet de déterminer les « empreintes digitales », sources d’informations détaillées sur les conditions physiques. Mais nous souhaitons également que les images permettent de voir la structure et l’organisation de la matière. Lorsque vous combinez la spectroscopie et l’imagerie dans cette gamme infrarouge unique, vous obtenez toutes les informations dont vous avez besoin pour réaliser la science qui nous intéresse. »

L’étude est menée par 20 chercheurs auxquels s’est jointe une grande équipe internationale et interdisciplinaire composée de plus de 100 scientifiques issus de 18 pays. Ce groupe comprend des astronomes, des physiciens, des chimistes, des théoriciens et des expérimentateurs.

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire de sciences spatiales au monde lorsqu’il sera lancé en 2021. Webb résoudra certains des mystères de notre système solaire, se tournera vers des mondes lointains situés autour d’autres étoiles et sondera les mystérieuses structures ainsi que les origines de notre univers et de la place que nous y occupons. Webb est un programme international dirigé par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.

Source de l’article

Contact IRAP

  • Olivier Berné, olivier.berne@irap.omp.eu

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