Découvrir les secrets chimiques d’une galaxie avec une grande activité de formation d’étoiles

Grâce à l’observatoire ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), situé au Chili, les scientifiques ont scruté le centre d’une galaxie qui produit des étoiles à un rythme très élevé. Après plus de 300 heures d’observation, ils ont découvert plus d’une centaine d’espèces moléculaires, bien plus que ce qui avait été détecté lors d’études précédentes sur des points du cosmos en dehors de la Voie lactée.

La haute sensibilité d’ALMA a permis d’identifier avec succès des molécules représentant différentes étapes de l’évolution stellaire dans la région centrale de cette galaxie, appelée NGC 253 et située à environ 10 millions d’années-lumière de la Terre. La haute résolution angulaire d’ALMA a permis de localiser les emplacements exacts.

Cette grande quantité de données a permis de mieux comprendre la physique et la chimie de ce type de galaxie. L’augmentation de la sensibilité du haut débit dans le cadre de la feuille de route de développement d’ALMA 2030 rendra les observations à large bande de fréquences comme celles de cette étude beaucoup plus efficaces.

Dans l’univers, certaines galaxies ont une grande activité de formation d’étoiles, bien supérieure à celle de notre galaxie, la Voie Lactée. Ces galaxies sont appelées « galaxies en étoile », entre autres définitions descriptives.

Les phénomènes d’étoiles ne durent pas éternellement. Comment exactement une formation d’étoiles aussi prolifique peut-elle se produire et comment elle se termine reste un mystère. La possibilité de formation d’étoiles dépend des propriétés de la matière première à partir de laquelle elles naissent, comme le gaz moléculaire, une matière gazeuse composée de plusieurs types de molécules. Par exemple, les étoiles se forment dans des régions denses au sein de nuages ​​moléculaires où la gravité peut agir plus efficacement. Quelque temps après la formation active des étoiles, les étoiles existantes, ainsi que les explosions au cours desquelles d’autres étoiles meurent, transfèrent de l’énergie au milieu environnant, ce qui pourrait entraver la formation future d’étoiles. Ces processus physiques influencent la chimie de la galaxie en question et impriment une signature sur l’intensité des signaux des molécules. Étant donné que chaque substance émet à des fréquences spécifiques, les observations sur une large gamme de fréquences nous permettent d’analyser les propriétés physiques et d’obtenir des informations sur le mécanisme des sursauts d’étoiles.

Recréation artistique du centre de la galaxie NGC 253. (Image : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO). CC PAR 4.0)

La matière première chimique détectée dans NGC 253 est la plus riche trouvée en dehors de la Voie Lactée et comprend des produits chimiques détectés pour la première fois, tels que l’éthanol et un composé (PN) contenant du phosphore.

Cette étude a été réalisée dans le cadre d’un programme appelé ALMA Comprehensive High-solving Extragalactic Molecular Inventory (ALCHEMI), dirigé par Sergio Martín de l’Observatoire européen austral et de l’Observatoire ALMA, Nanase Harada de l’Observatoire astronomique national du Japon et Jeff Mangum. de l’Observatoire national de radioastronomie des États-Unis.

Tout d’abord, cette étude a révélé que le gaz moléculaire à haute densité favoriserait probablement la formation active d’étoiles dans cette galaxie. Chaque molécule émet à plusieurs fréquences et l’intensité de son signal relatif et absolu change en fonction de la densité et de la température. En analysant de nombreux signaux provenant de certaines espèces moléculaires, la quantité de gaz dense au centre de NGC 253 s’est avérée plus de dix fois supérieure à celle au centre de la Voie Lactée, ce qui pourrait expliquer pourquoi NGC 253 forme des étoiles à environ 30 fois plus efficacement, même avec la même quantité de gaz moléculaire.

L’un des mécanismes qui pourraient faciliter la fusion des nuages ​​​​moléculaires en nuages ​​plus denses est leur collision. Au centre de NGC 253, des collisions de nuages ​​sont susceptibles de se produire aux endroits où les flux de gaz et d’étoiles se croisent, générant des ondes de choc qui se propagent à des vitesses supersoniques. Ces ondes de choc évaporent des molécules telles que le méthanol et le HNCO, les gelant en particules de poussière glacée. Lorsque les molécules s’évaporent sous forme de gaz, elles deviennent observables à l’aide de radiotélescopes tels que ceux de l’observatoire ALMA.

Certains produits chimiques servent également d’empreintes digitales révélatrices de la formation d’étoiles en cours. On sait que des substances organiques complexes abondent autour des jeunes étoiles. Dans NGC 253, les résultats de cette étude suggèrent que la formation active d’étoiles crée un environnement chaud et dense similaire à ceux observés autour de jeunes étoiles individuelles (protoétoiles) dans la Voie Lactée. La quantité de substances organiques complexes au centre de NGC 253 est similaire à celle autour des protoétoiles de la galaxie.

Outre les conditions physiques susceptibles de favoriser la formation d’étoiles, l’étude a également révélé l’environnement hostile laissé par les générations précédentes d’étoiles, ce qui pourrait ralentir la formation future d’étoiles. Lorsque des étoiles massives meurent, elles provoquent des explosions massives appelées supernovae, qui émettent des particules énergétiques appelées rayons cosmiques. La composition moléculaire de NGC 253 a révélé que les rayons cosmiques ont dépouillé les molécules de cette région de certains de leurs électrons à un rythme au moins 1 000 fois supérieur à celui observé à proximité du système solaire. Cela suggère un apport considérable d’énergie provenant des supernovae, ce qui rend difficile la condensation du gaz pour former des étoiles.

Enfin, l’étude ALCHEMI a fourni un atlas de 44 espèces moléculaires, doublant le nombre disponible dans les études précédentes en dehors de la Voie lactée. En appliquant à cet atlas une technique d’apprentissage automatique (une forme d’intelligence artificielle), les chercheurs ont pu identifier quelles substances permettent de retracer le plus efficacement possible l’histoire de la formation des étoiles évoquée plus haut, du début à la fin. Comme décrit ci-dessus avec quelques exemples, certains composés permettent de suivre des phénomènes tels que les ondes de choc ou les gaz denses, capables de favoriser la formation d’étoiles. (Source : Observatoire ALMA)