Les étoiles massives sont la conséquence d’effondrements à grande échelle

Malgré des efforts de recherche de plusieurs décennies, les théories de formation stellaire n’expliquent toujours pas la distribution en masse des étoiles. Si la fragmentation dite de Jeans est responsable de la formation des étoiles moins massives que le Soleil, les mécanismes à l’origine des étoiles plus massives restent à identifier. Pour progresser sur cette question importante, l’équipe de formation stellaire du LAB utilise le grand interféromètre ALMA pour rechercher les rares protoétoiles massives de la galaxie qui pourraient nous renseigner sur leur origine. Les protoétoiles massives sont rares car les étoiles massives sont peu nombreuses et leur formation est rapide. Nous menons ainsi un programme de recherche international nommé SPARKS qui vise les 35 sites de formation de telles étoiles les plus prometteurs de la galaxie proche (à moins de 4,5 kpc, soit environ 15000 a.l.) avec ALMA. Ces cibles privilégiées sont les nuages sombres compacts les plus massifs de la galaxie et qui ne montrent pas encore d’étoiles massives déjà formées, garantissant qu’ils sont dans une phase précoce d’évolution. Ces nuages sombres jeunes doivent encore pouvoir nous renseigner sur les conditions initiales de la formation des étoiles massives. Nous avons recherché ces sites de formation d’étoiles massives dans toute la galaxie grâce aux grands relevés ATLASGAL dans le domaine millimétrique et GLIMPSE dans le domaine infrarouge (voir Figure 1).

Figure 1: L’étude des rares protoétoiles massives demande une recherche systématique à l’échelle de la galaxie grâce aux grands relevés systématiques dans les domaines millimétrique et infrarouge (ici ATLASGAL avec le radiotélescope APEX de l’ESO et GLIMPSE avec le satellite Spitzer de la NASA). On passe ainsi d’un nuage moléculaire situé à 13000 a.l. à une région compacte de 150 fois la masse du Soleil dans seulement 0,2 a.l. grâce au grand interféromètre ALMA. Ces régions très compactes se formeraient grâce à un effondrement gravitationnel qui s’enclencherait à partir de régions de taille de l’ordre de 10 à 20 année lumière alors que les étoiles de type solaire s’effondrent à l’échelle approximative du système solaire i.e. de l’ordre de 0,1 année lumière.

 

Les premiers résultats du programme SPARKS viennent d’être publiés dans Astronomy & Astrophysics et montrent des premières tendances importances. Grâce aux premières observations obtenues uniquement avec 10 antennes de 7m de ALMA (les résultats obtenus avec les 40 antennes de 12m seront bientôt publiés), nous avons constaté que la fragmentation des nuages sombres massifs est réduite et ne suit pas la fragmentation “classique” qui explique la masse des étoiles de faible masse. Une fragmentation classique de ces nuages de plusieurs centaines de masse solaire devrait entraîner la formation d’un amas de plusieurs centaines d’étoiles de type solaire alors qu’ici nous n’observons qu’un nombre réduit de fragments qui indique une faible fragmentation pour ces nuages. Dans le même temps, la répartition de la matière aux différentes échelles suggère que ces nuages massifs correspondent à des régions “inhabituellement” concentrées en matière, en fait compatible avec un effondrement dynamique depuis des échelles plus grandes estimées à 10 à 20 années lumière. Les conditions initiales de la formation des étoiles massives ne correspondraient donc pas un nuage interstellaire en équilibre mais plutôt un morceau de nuage en effondrement dynamique depuis de grandes échelles. Ce scénario dynamique implique des flots convergents supersoniques qui ont en fait déjà été observés par notre groupe en 2011 vers quelques cas de protoétoiles massives dans la constellation du Cygne. Cela expliquerait aussi les temps de vie des nuages sombre jeunes et massifs que nous avons mesurés comme étrangement très courts en 2007 et 2014. La formation des étoiles massives ne serait donc pas la résultat d’une fragmentation “à la Jeans” mais une conséquence de l’effondrement de parties plus étendues de certains nuages interstellaires. La fragmentation dynamique serait capable de conserver des fragments nettement plus massifs que la fragmentation classique en équilibre, et expliquerait ainsi la formation d’étoiles beaucoup plus massives que le Soleil. Ces effondrements à grandes échelles devraient tout de même à terme former des amas entiers d’étoiles de type solaire par cette fragmentation dynamique ou par une fragmentation en équilibre qui surviendrait plus tard dans l’évolution du proto-amas.

Contact au LAB : Sylvain Bontemps

Pour aller plus loin : Csengeri, Bontemps, Wyrowski et al. (2017) A&A 600, L10 ; Csengeri, Bontemps, Schneider et al. (2011) A&A 527, 135 ; Csengeri, Urquhart, Schuller et al. (2014) A&A 565, 75 ; Motte, Bontemps, Schilke et al. (2007) A&A 476, 1243.