La reconstruction 3D révèle les activités de formation d’étoiles de deux nuages ​​de poussière

En utilisant des dizaines de milliers d’étoiles observées par la sonde spatiale Gaia, les astronomes de MPIA et Chalmers ont révélé les formes 3D de deux grands nuages ​​moléculaires formant des étoiles, le California Cloud et le Orion A Cloud. Dans les images 2D conventionnelles, elles apparaissent structurées de la même manière, contenant des filaments de poussière et de gaz avec des densités apparemment comparables. En 3D, cependant, ils semblent assez distincts. En fait, leurs densités sont bien plus différentes que ne le suggèrent leurs images projetées sur le plan du ciel. Ce résultat résout le mystère de longue date de la raison pour laquelle ces deux nuages ​​forment des étoiles à des rythmes différents.

Les nuages ​​cosmiques de gaz et de poussière sont les berceaux des étoiles. Plus précisément, les étoiles se forment dans les poches les plus denses de ce matériau. Les températures chutent près du zéro absolu et le gaz densément tassé s’effondre sous son propre poids, formant finalement une étoile. « La densité, la quantité de matière comprimée dans un volume donné, est l’une des propriétés cruciales qui déterminent l’efficacité de la formation d’étoiles », explique Sara Rezaei Khoshbakht. Elle est astronome à l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, en Allemagne, et l’auteur principal d’un nouvel article publié dans Les lettres du journal astrophysique aujourd’hui.

Dans une étude pilote décrite dans cet article, Sara Rezaei Khoshbakht et le co-auteur Jouni Kainulainen ont appliqué une méthode qui leur permet de reconstruire des morphologies 3D de nuages ​​moléculaires à deux nuages ​​géants en formation d’étoiles. Kainulainen est un scientifique de l’Université de technologie Chalmers de Göteborg, en Suède, qui a également travaillé à la MPIA. Leurs cibles étaient Orion A Cloud et California Cloud.

Habituellement, mesurer la densité dans les nuages ​​est difficile. « Tout ce que nous voyons lorsque nous observons des objets dans l’espace est leur projection bidimensionnelle sur une sphère céleste imaginaire », explique Jouni Kainulainen. Il est expert dans l’interprétation de l’influence de la matière cosmique sur la lumière stellaire et dans le calcul des densités à partir de ces données. Kainulainen ajoute: « Les observations conventionnelles manquent de la profondeur nécessaire. Par conséquent, la seule densité que nous pouvons généralement déduire de ces données est la soi-disant densité de colonne. »

La densité de colonne est la masse ajoutée le long d’une ligne de visée divisée par la section transversale projetée. Par conséquent, ces densités de colonnes ne reflètent pas nécessairement les densités réelles des nuages ​​moléculaires, ce qui est problématique lorsqu’il s’agit de relier les propriétés des nuages ​​à l’activité de formation d’étoiles. En effet, les images des deux nuages ​​étudiés dans ce travail qui montrent l’émission thermique de poussière partagent apparemment des structures et des densités similaires. Cependant, leurs taux de formation d’étoiles très différents intriguent les astronomes depuis de nombreuses années.

Au lieu de cela, la nouvelle reconstruction 3D montre maintenant que ces deux nuages ​​​​ne sont pas si semblables après tout. Malgré l’aspect filamenteux des images 2D, le California Cloud est une feuille de matériau plate et longue de près de 500 années-lumière avec une grande bulle qui s’étend en dessous. Ainsi, on ne peut pas attribuer une seule distance au nuage de Californie, ce qui a des répercussions importantes sur l’interprétation de ses propriétés. De notre point de vue sur Terre, il est orienté presque par la tranche, ce qui ne fait que simuler une structure filamentaire. En conséquence, la densité réelle de la nappe est bien inférieure à ce que la densité de la colonne suggère, ce qui explique l’écart entre les estimations de densité précédentes et le taux de formation d’étoiles du nuage.

Et à quoi ressemble Orion A Cloud en 3D ? L’équipe a confirmé sa structure filamentaire dense vue dans les images 2D. Cependant, sa morphologie réelle diffère également de ce que nous voyons en 2D. Orion A est plutôt complexe, avec des condensations supplémentaires le long de la crête proéminente de gaz et de poussière. En moyenne, Orion A est beaucoup plus dense que le nuage de Californie, expliquant son activité de formation d’étoiles plus prononcée.

Sara Rezaei Khoshbakht, également affiliée à l’Université de technologie Chalmers, a développé la méthode de reconstruction 3D au cours de son doctorat. à MPIA. Il s’agit d’analyser l’altération de la lumière stellaire lors du passage à travers ces nuages ​​de gaz et de poussière, telle que mesurée par la sonde spatiale Gaia et d’autres télescopes. Gaia est un projet de l’Agence spatiale européenne (ESA) dont l’objectif principal est de mesurer avec précision les distances à plus d’un milliard d’étoiles dans la Voie lactée. Ces distances sont cruciales pour la méthode de reconstruction 3D.

« Nous avons analysé et corrélé la lumière de 160 000 et 60 000 étoiles pour les nuages ​​de Californie et d’Orion A, respectivement », explique Sara Rezaei Khoshbakht. Les deux astronomes ont reconstitué les morphologies et les densités des nuages ​​à une résolution de seulement 15 années-lumière. « Ce n’est pas la seule approche que les astronomes utilisent pour dériver les structures spatiales des nuages », ajoute Rezaei Khosbakht. « Mais le nôtre produit des résultats robustes et fiables sans artefacts numériques. »

Cette étude prouve son potentiel pour améliorer la recherche sur la formation d’étoiles dans la Voie lactée en ajoutant une troisième dimension. « Je pense qu’un résultat important de ce travail est qu’il remet en question les études qui s’appuient uniquement sur les seuils de densité de colonne pour dériver les propriétés de formation d’étoiles et les comparer les unes aux autres », conclut Sara Rezaei Khoshbakht.

Cependant, ce travail n’est que la première étape de ce que les astronomes veulent accomplir. Sara Rezaei Khoshbakht poursuit un projet qui produira finalement la distribution spatiale de la poussière dans l’ensemble de la Voie lactée et découvrira son lien avec la formation des étoiles.