Voilà bientôt un an que le télescope spatial européen Herschel a été lancé. La première phase des observations laisse la place aux premiers résultats scientifiques qui ont été exposés le 6 mai 2010 lors d’une conférence de presse au ESA's European Space Research and Technology Centre de Noordwijk en Hollande. Grâce à eux, les chercheurs espèrent mieux comprendre la formation des étoiles dans l’Univers et dans la Voie lactée.
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Herschel est le plus gros télescopetélescope spatial jamais réalisé et il orbiteorbite actuellement selon une figure de Lissajous autour du point de Lagrange L2, à environ 1,5 million de kilomètres de la TerreTerre. Européen, il porteporte bien son nom puisque qu'il a été nommé en l'honneur de l'astronomeastronome Friedrich Wilhelm Herschel.

Cet Allemand d'origine a passé son enfance à Hanovre et ce n'est que vers 40 ans qu'il débute réellement en astronomie en Angleterre après avoir été successivement garde de régiment puis compositeur.

Il découvrira la planète UranusUranus et ses satellites, les étoiles binairesbinaires, pressentira la forme de la Voie lactéeVoie lactée, introduira le terme astéroïde et, surtout, affirmera que la lumièrelumière ne se réduit pas au spectrespectre visible. On doit en effet à Herschel la découverte des rayons infrarougesinfrarouges qui permettent aujourd'hui de percer les nuagesnuages moléculaires et poussiéreux pour observer la naissance des étoilesétoiles à l'aide des instruments du télescope européen.

Or, justement, si l'on comprend dans les grandes lignes comment se forment les étoiles dont les massesmasses sont inférieures à 8 fois celle du SoleilSoleil, les modèles théoriques échouent à rendre compte de celles des étoiles les plus massives de la Voie lactée, qui peuvent atteindre les 150 masses solaires.

Bien que rares et vivant seulement quelques centaines de millions d'années tout au plus, elles synthétisent les éléments lourds, comme le carbonecarbone et l'oxygèneoxygène de nos cellules, puis, explosant en supernovaesupernovae, les dispersent dans le milieu interstellaire. Ces étoiles massives et éphémères sont donc capitales pour comprendre l'évolution chimique des galaxiesgalaxies et elles influencent la dynamique du milieu interstellaire par les intenses flux de rayonnement ultravioletultraviolet (UV) qu'elles émettent ainsi que les ondes de choc des explosions en supernovae.

Ce sont précisément ces flux d'UV qui, au-delà d'une masse de 8 fois celle du Soleil, devraient arrêter l'accrétionaccrétion de matièrematière supplémentaire faisant croître la masse de la jeune étoile. Pour percer le secret de la naissance des étoiles massives, il faut donc les surprendre au tout début de leur formation, lorsqu'elles rayonnent dans l'infrarouge.

C'est exactement ce qu'est en train de faire le télescope Herschel comme l'a expliqué lors de la conférence de Noordwijk l'astrophysicienne Annie Zavagno.

Cliquer pour agrandir. Une vue schématique du modèle expliquant la formation d'étoiles massives dans certaines nébuleuse. Dans ce scénario, la formation d'une nouvelle génération d'étoiles est déclenchée par l'expansion d'une région HII qui est ionisé et soufflée par une étoile massive de la génération précédente. Ce modèle a d'abord été proposé par Elmegreen et Lada en 1977. Crédit : Deharveng, Zavagno, LAM, France

Cliquer pour agrandir. Une vue schématique du modèle expliquant la formation d'étoiles massives dans certaines nébuleuse. Dans ce scénario, la formation d'une nouvelle génération d'étoiles est déclenchée par l'expansion d'une région HII qui est ionisé et soufflée par une étoile massive de la génération précédente. Ce modèle a d'abord été proposé par Elmegreen et Lada en 1977. Crédit : Deharveng, Zavagno, LAM, France

Naissance d'une géante

On sait en effet que lorsqu'une étoile massive s'est formée, le flux d'UV émis ionise et chauffe l'hydrogènehydrogène du nuage dans lequel elle se trouve à 10.000 K environ. Il se forme alors une coquillecoquille en expansion supersonique entourant la région où le gazgaz est ionisé (on parle de région HII, HI désignant l'hydrogène neutre). La matière froide de la coquille est comprimée et s'effondre à son tour pour donner des proto-étoilesproto-étoiles massives. C'est donc à ces endroits que l'on peut étudier les conditions et les mécanismes de formation de ces étoiles et c'est pourquoi les astrophysiciensastrophysiciens ont examiné de près avec Herschel la nébuleusenébuleuse RCW 120, située à 4.300 années-lumièreannées-lumière de la Terre.

Bingo ! Les instruments de Herschel ont effectivement détecté dans cette région de formation stellaire une proto-étoile qui pourrait devenir, d'ici quelques centaines de milliers d'années l'une des plus massives et des plus brillantes de notre Galaxie. D'après les mesures, elle a atteint déjà huit à dix fois la masse du Soleil et devrait pouvoir croître bien au-delà car le nuage qui l'entoure contient une masse de gaz et de poussière équivalant à 2.000 fois celle du Soleil.

Les molécules d'eau sont importantes pour la formation des étoiles car elles contribuent à dissiper la chaleur produite par la contraction d'un nuage moléculaire riche en poussières. Sans elles, et surtout sans les poussières, le nuage chauffe et sa pression interne augmente, ce qui peut arrêter sa contraction ainsi que la formation des étoiles. On voit ici des spectres mesurés par l'instrument HIFI (<em>Heterodyne Instrument for the Far Infrared</em>), montrant la présence de molécules d'eau dans différentes régions de la nébuleuse NGC 1333. L'image à l'arrière plan provient des instruments de <em>Spitzer</em>. Crédit : L'Esa et le consortium HIFI; L. E. Kristensen. Image d'arrière plan, Nasa / JPL-Caltech / R. Gutermuth (<em>Harvard-Smithsonian CfA</em>)

Les molécules d'eau sont importantes pour la formation des étoiles car elles contribuent à dissiper la chaleur produite par la contraction d'un nuage moléculaire riche en poussières. Sans elles, et surtout sans les poussières, le nuage chauffe et sa pression interne augmente, ce qui peut arrêter sa contraction ainsi que la formation des étoiles. On voit ici des spectres mesurés par l'instrument HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared), montrant la présence de molécules d'eau dans différentes régions de la nébuleuse NGC 1333. L'image à l'arrière plan provient des instruments de Spitzer. Crédit : L'Esa et le consortium HIFI; L. E. Kristensen. Image d'arrière plan, Nasa / JPL-Caltech / R. Gutermuth (Harvard-Smithsonian CfA)

Un autre paramètre est important pour comprendre la formation des étoiles : c'est la présence de moléculesmolécules d'eau. A cet égard, Herschel a fait une découverte surprenante. En plus de détecter les raies des molécules d'eau sous forme de glace de quelques comètescomètes dans notre Système solaireSystème solaire, ses instruments ont montré que le rayonnement UV des jeunes étoiles ionisait les molécules d'eau pour donner H2O+, un ionion qui n'existe pas naturellement sur Terre.

Herschel a révélé aussi que la molécule de fluorure d'hydrogène HF semble bel et bien présente dans tous les nuages de gaz dans la Voie lactée. Or, si la fameuse raie à 21 cm de l'hydrogène découverte par Ewen et Purcell a été utilisée par Jan Oort pour cartographier les nuages d'hydrogène neutre HI dans notre Galaxie, elle ne permet pas de le faire pour les nuages moléculaire H2. Ce sont les raies émises par la molécule CO lors des chocs avec H2 qui sont utilisées pour cartographier ces nuages. L'omniprésence de HF découverte par Herschel pourrait déboucher sur un meilleur moyen pour révéler ces nuages moléculaires où naissent les étoiles dans la Voie lactée, notamment parce qu'elle permet de voir des nuages de toutes les tailles et pas seulement les plus gros.

Cliquer pour agrandir. Cette image est prise en regardant une région de la Galaxie dans la constellation de l'Aigle, près du centre galactique. Au centre et à gauche de l'image, les deux régions de formation stellaire G29.9 et W43 sont clairement visibles. Des centaines d'étoiles de toutes tailles, allant de celles similaires à notre Soleil à des monstres de plusieurs dizaines de fois plus lourds y naissent en ce moment même. Les flux de rayonnement des nouvelles étoiles détruisent les restes des nuages de gaz d'origine et creusent des cavités géantes dans la Galaxie. Crédits : Esa/<em>Hi-GAL Consortium</em>

Cliquer pour agrandir. Cette image est prise en regardant une région de la Galaxie dans la constellation de l'Aigle, près du centre galactique. Au centre et à gauche de l'image, les deux régions de formation stellaire G29.9 et W43 sont clairement visibles. Des centaines d'étoiles de toutes tailles, allant de celles similaires à notre Soleil à des monstres de plusieurs dizaines de fois plus lourds y naissent en ce moment même. Les flux de rayonnement des nouvelles étoiles détruisent les restes des nuages de gaz d'origine et creusent des cavités géantes dans la Galaxie. Crédits : Esa/Hi-GAL Consortium

A la recherche des pouponnières

En attendant, Herschel est déjà en mesure de préciser les scénarios de formation des pouponnières d'étoiles dans la Galaxie. En effet, de même que les amas de galaxiesamas de galaxies se rassemblent en filaments dans l'UniversUnivers observable, les observations du télescope européen montrent que les embryonsembryons stellaires prennent naissance au sein de filaments de poussière et de gaz incandescentsincandescents qui s'étendent à travers la Voie lactée sur des distances de plusieurs dizaines d'années-lumière.

Quant aux nuages moléculaires denses et froids pouvant contenir des proto-étoiles, on peut ainsi mesurer leurs masses, températures et composition. on peut également déterminer si, oui ou non, certains d'entre eux s'effondrent pour former de nouvelles étoiles. Ces observations seront essentielles pour répondre aux objectifs scientifiques de Herschel : l'étude de la formation des étoiles et du milieu interstellaire dans la Voie lactée et les galaxies proches, et la détection des galaxies dans l'Univers lointain.

Cliquer pour agrandir. Chaîne de production d'étoiles dans la constellation du Petit Renard. Crédit : Esa/<em>Hi-GAL Consortium</em>

Cliquer pour agrandir. Chaîne de production d'étoiles dans la constellation du Petit Renard. Crédit : Esa/Hi-GAL Consortium

Justement, à l'échelle des galaxies aussi, Herschel apporte des contributions intéressantes, en particulier en améliorant nos connaissances du Cosmic Infrared Background (CIB). Le CIB, que l'on ne doit pas confondre avec le rayonnement de fond cosmologique (CMB), le fameux rayonnement fossile, est une relique associée à la formation des galaxies se présentant comme un fond diffusdiffus presque isotropeisotrope dans le domaine infrarouge.

Prédit dans le milieu des années 1960, il a été détecté pour la première fois 30 ans plus tard avec le célèbre Cosmic Background Explorer (COBE). Il est en fait relié au taux de formation des étoiles dans les galaxies et c'est la résultante du rayonnement infrarouge émis par des milliards de galaxies éparpillées dans l'Univers à des milliards d'années-lumière.

Un extrait du champ de galaxie GOODS Sud. Tous les points représentent des galaxies dont beaucoup se situent entre 3 et 8 milliards d'années-lumière. Certaines sont cependant à 12 milliards d'années-lumière environ et d'autres à quelques centaines de millions d'années-lumière seulement. Crédit : Esa.

Un extrait du champ de galaxie GOODS Sud. Tous les points représentent des galaxies dont beaucoup se situent entre 3 et 8 milliards d'années-lumière. Certaines sont cependant à 12 milliards d'années-lumière environ et d'autres à quelques centaines de millions d'années-lumière seulement. Crédit : Esa.

Les CIB de deux champs de galaxies ont ainsi été étudiés par Herschel. Il s'agit des programmes d'observations GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey) Nord et Sud. Ils montrent les émissionsémissions dans l'infrarouge lointain de ces galaxies dont les distances sont en général inférieures à 8 milliards d'années-lumière.

Les astrophysiciens ont alors découvert que le taux de formation des étoiles dans l'Univers avait évolué beaucoup plus rapidement qu'ils le pensaient et, de plus, plus rapidement qu'il l'a été dans le passé. Aujourd'hui, il est d'environ une à deux étoiles par an dans la Voie lactée mais à l'intérieur des galaxies dites à flambée d'étoiles, il peut être 10 à 15 fois plus élevé. Or, il semble bien que ces galaxies étaient bien plus nombreuses il y a quelques milliards d'années, sans que l'on sache vraiment pourquoi. Alors que le taux de formation d'étoiles était relativement uniforme, bien que déclinant après la fièvrefièvre des premiers milliards d'années, il a donc chuté considérablement au cours des derniers milliards d'années.

Comme le dit Göran Pilbratt, responsable scientifique du projet Herschel à l'EsaEsa : « La mission Herschel ne fait que commencer et ses résultats nous donnent un avant-goût des importantes retombées scientifiques attendues au cours des années à venir ».