Une coupe à travers une simulation 3-D d'un amas turbulent d'hydrogène moléculaire. Crédit d'image: Mark Krumholz. Cliquez pour agrandir
Les astrophysiciens de l'Université de Californie à Berkeley et du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont fait exploser l'une des deux théories concurrentes sur la formation des étoiles à l'intérieur d'immenses nuages de gaz interstellaires.
Ce modèle, qui a moins de 10 ans et est défendu par certains astronomes britanniques, prédit que les nuages d'hydrogène interstellaires développent des amas dans lesquels se forment plusieurs petits noyaux - les graines des futures étoiles -. Ces noyaux, à moins d'une année-lumière, s'effondrent sous leur propre gravité et se disputent le gaz dans la touffe environnante, gagnant souvent 10 à 100 fois leur masse d'origine de la touffe.
Le modèle alternatif, souvent appelé théorie de «l'effondrement gravitationnel et de la fragmentation», suppose également que les nuages développent des amas dans lesquels se forment des noyaux proto-stellaires. Mais dans cette théorie, les noyaux sont grands et, bien qu'ils puissent se fragmenter en plus petits morceaux pour former des systèmes d'étoiles binaires ou multiples, contiennent presque toute la masse qu'ils auront jamais.
«Dans une accrétion compétitive, les noyaux sont des graines qui deviennent des étoiles; sur notre image, les noyaux se transforment en étoiles », a expliqué Chris McKee, professeur de physique et d'astronomie à UC Berkeley. "Les observations à ce jour, qui se concentrent principalement sur les régions de formation d'étoiles de faible masse, comme le soleil, sont conformes à notre modèle et incompatibles avec les leurs."
"L'accroissement compétitif est la grande théorie de la formation des étoiles en Europe, et nous pensons maintenant que c'est une théorie morte", a ajouté Richard Klein, professeur adjoint d'astronomie à UC Berkeley et chercheur au LLNL.
Mark R. Krumholz, maintenant boursier postdoctoral à l'Université de Princeton, McKee et Klein rendent compte de leurs conclusions dans le numéro du 17 novembre de Nature.
Les deux théories tentent d'expliquer comment les étoiles se forment dans des nuages froids d'hydrogène moléculaire, peut-être de 100 années-lumière de diamètre et contenant 100 000 fois la masse de notre soleil. De tels nuages ont été photographiés en couleurs brillantes par les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer, mais la dynamique de l'effondrement d'un nuage en une ou plusieurs étoiles est loin d'être claire. Une théorie de la formation des étoiles est essentielle pour comprendre comment les galaxies et les amas de galaxies se forment, a déclaré McKee.
"La formation d'étoiles est un problème très riche, impliquant des questions telles que la façon dont les étoiles comme le soleil se sont formées, pourquoi un très grand nombre d'étoiles sont dans les systèmes d'étoiles binaires, et comment les étoiles représentent dix à cent fois la masse du soleil", a-t-il m'a dit. "Les étoiles les plus massives sont importantes parce que, lorsqu'elles explosent dans une supernova, elles produisent la plupart des éléments lourds que nous voyons dans le matériau qui nous entoure."
Le modèle d'accrétion compétitive a vu le jour à la fin des années 1990 en réponse à des problèmes avec le modèle d'effondrement gravitationnel, qui semblait avoir du mal à expliquer la formation des grandes étoiles. En particulier, la théorie ne pourrait pas expliquer pourquoi le rayonnement intense d'une grande protostar ne fait pas que souffler sur les couches externes de l'étoile et l'empêcher de grossir, même si les astronomes ont découvert des étoiles qui sont 100 fois la masse du soleil.
Alors que les théoriciens, dont McKee, Klein et Krumholz, ont avancé la théorie de l'effondrement gravitationnel pour expliquer ce problème, la théorie de l'accrétion compétitive est de plus en plus en conflit avec les observations. Par exemple, la théorie de l'accrétion prédit que les naines brunes, qui sont des étoiles ratées, sont jetées des touffes et perdent leurs disques encerclants de gaz et de poussière. Au cours de la dernière année, cependant, de nombreuses naines brunes ont été trouvées avec des disques planétaires.
"Les théoriciens de l'accrétion compétitive ont ignoré ces observations", a déclaré Klein. "Le test ultime de toute théorie est de savoir si elle est en accord avec l'observation, et ici la théorie de l'effondrement gravitationnel semble être le vainqueur clair."
Le modèle utilisé par Krumholz, McKee et Klein est une simulation de superordinateur de la dynamique compliquée du gaz à l'intérieur d'un nuage turbulent et turbulent d'hydrogène moléculaire lorsqu'il s'accumule sur une étoile. Il s'agit de la première étude des effets de la turbulence sur la vitesse à laquelle une étoile s'accumule en se déplaçant à travers un nuage de gaz, et elle démolit la théorie de «l'accumulation compétitive».
Employant 256 processeurs parallèles au San Diego Supercomputer Center à UC San Diego, ils ont fait fonctionner leur modèle pendant près de deux semaines pour montrer qu'il représentait avec précision la dynamique de formation des étoiles.
"Pendant six mois, nous avons travaillé sur des simulations à très haute résolution très détaillées pour développer cette théorie", a déclaré Klein. "Puis, ayant cette théorie en main, nous l'avons appliquée aux régions de formation d'étoiles avec les propriétés que l'on pourrait glaner d'une région de formation d'étoiles."
Les modèles, qui ont également été exécutés sur des superordinateurs au Lawrence Berkeley National Laboratory et au LLNL, ont montré que la turbulence dans le cœur et la touffe environnante empêcherait l'accrétion d'ajouter beaucoup de masse à une protoétoile.
"Nous avons montré qu'en raison de la turbulence, une étoile ne peut pas accumuler efficacement beaucoup plus de masse de la touffe environnante", a déclaré Klein. «Dans notre théorie, une fois qu'un noyau s'effondre et se fragmente, cette étoile a essentiellement toute la masse qu'elle aura jamais. S'il est né dans un noyau de faible masse, il finira par être une étoile de faible masse. S'il est né dans un noyau de masse élevée, il peut devenir une étoile de masse élevée. "
McKee a noté que la simulation du superordinateur des chercheurs indique que l'accrétion compétitive peut bien fonctionner pour les petits nuages avec très peu de turbulence, mais ceux-ci se produisent rarement, voire jamais, et n'ont pas été observés à ce jour. Les régions de formation d'étoiles réelles ont beaucoup plus de turbulence qu'on ne le suppose dans le modèle d'accrétion, et la turbulence ne se désintègre pas rapidement, comme ce modèle le présume. Certains processus inconnus, peut-être de la matière s'échappant des protostars, maintiennent les gaz enroulés afin que le noyau ne s'effondre pas rapidement.
«La turbulence s'oppose à la gravité; sans lui, un nuage moléculaire s'effondrerait beaucoup plus rapidement que ce qui était observé », a déclaré Klein. «Les deux théories supposent que la turbulence est là. La clé est (qu'il) y a des processus en cours lorsque les étoiles commencent à se former qui maintiennent la turbulence en vie et l'empêchent de se décomposer. Le modèle d'accrétion compétitive n'a aucun moyen de mettre cela dans les calculs, ce qui signifie qu'ils ne modélisent pas de véritables régions de formation d'étoiles. "
Klein, McKee et Krumholz continuent d'affiner leur modèle pour expliquer comment le rayonnement des grandes protostars s'échappe sans souffler tout le gaz infaillible. Par exemple, ils ont montré qu'une partie du rayonnement peut s'échapper à travers des cavités créées par les jets observés pour sortir des pôles de nombreuses étoiles en formation. De nombreuses prédictions de la théorie peuvent être répondues par des télescopes nouveaux et plus grands actuellement en construction, en particulier le télescope ALMA sensible et haute résolution construit au Chili par un consortium d'astronomes américains, européens et japonais, a déclaré McKee.
Le travail a été soutenu par la National Aeronautics and Space Administration, la National Science Foundation et le Department of Energy.
Source d'origine: communiqué de presse de UC Berkeley
