On pourrait croire que la formation des étoiles par effondrement gravitationnel d'un nuage de gaz et de poussières est un processus simple et sans problèmes. Mais ce n'est pas le cas. Bien sûr, depuis les travaux au début du XX^e siècle de l'astronome britannique James Jeans, il faut un certain jeu de valeurs pour la température et la densité dans un tel nuage pour qu'une masse donnée puisse commencer à s'effondrer sous l'action de sa propre gravité. Mais, ce n'est pas très compliqué.

Plusieurs barrières à la naissance des étoiles

Un exemple bien connu d'obstacle à surmonter vient du fait que plus un gaz est comprimé, plus il chauffe et plus sa pression interne, qui peut s'opposer à la compression, augmente. Heureusement, les poussières dans un nuage chauffent avec lui et se mettent à rayonner dans l'infrarouge en emportant de la chaleur à l'extérieur. Un nuage de gaz et de poussières est en effet transparent dans l'infrarouge.

Moins connu, plus subtil et plus difficile à contourner comme obstacle est le fait que les nuages dans la Voie lactée, comme dans d'autres galaxies, sont traversés par des champs magnétiques. Ces champs augmentent en intensité pour des raisons physiques quand un nuage qui en est traversé se contracte. Or, une densité de champ magnétique se comporte comme une densité d'énergie, c'est-à-dire qu'elle exerce une pression et peut donc s'opposer à la contraction finale des cœurs pré-stellaires, des concentrations froides et denses de gaz et de poussières maintenues ensemble par la gravité, en protoétoile.

L'énigme de la formation des étoiles, tel le Soleil par exemple, malgré cet obstacle des champs magnétiques, n'est pas encore totalement résolue.

L’observatoire Noema, un instrument pour répondre aux questions les plus fondamentales de l'astrophysique. Vidéo de présentation de l'observatoire Noema de l'Iram, de ses enjeux. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Iram

Mais dans des communiqués de l'Université de Kyushu et de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre, on apprend que des chercheurs de ces institutions ont fait des progrès. Ils l'expliquent dans une étude publiée dans la revue Astronomy & Astrophysics et dont une version en libre d'accès existe sur arXiv.

Ces progrès viennent de la radioastronomie et plus précisément du célèbre télescope de 30 mètres de l'Iram à plus de 2 800 mètres au Pico Veleta, dans la Sierra Nevada espagnole. Les chercheurs l'ont utilisé pour observer L1544.

Situé dans la région du nuage moléculaire du Taureau (TMC, Taurus Molecular Cloud) à environ 450 années-lumière de la Terre, L1544 est considéré comme un prototype de cœur préstellaire. Cette concentration est supposée être une étape précoce, précédant l'effondrement gravitationnel qui conduit à la formation d'une protoétoile du même type que notre Soleil.

Des processus subtils de magnétohydrodynamique

Il faut savoir que même dans des cœurs préstellaires froids, le gaz est partiellement ionisé avec les ions qui sont fortement liés aux champs magnétiques, tandis que les particules neutres n'interagissent avec ceux-ci qu'indirectement, par l'intermédiaire de collisions. En fait, plusieurs de ces ions se font aussi piégés par la surface des grains de poussière, ce qui les rend invisibles aux observations.

Mais ce n'est pas le cas de la molécule de diazénylium deutéré, N₂D⁺, qui se forme dans les mêmes régions que l'ammoniac monodeutéré para-NH₂D, une molécule neutre. Le radiotélescope peut les détecter et mesurer leurs mouvements qui sont différents, ce qui illustre l'existence d'un processus de magnétohydrodynamique des gaz partiellement ionisés que l'on appelle la diffusion ambipolaire. Jusqu'à présent, l'observation de ce phénomène dans un cœur préstellaire avait échappé à la sagacité des astrophysiciens.

Or, selon la théorie, « à mesure que la diffusion ambipolaire se poursuit, l'intensité du champ magnétique diminue. La gravité devient finalement la force dominante dans le cœur, provoquant son effondrement gravitationnel et sa transformation en protoétoile », explique le communiqué de l'Université de Kyushu.

Illustration de la dérive ions-neutres dans le cœur pré-stellaire L1544. Les lignes bleues représentent les lignes de champ magnétique, courbées sous l'effet de la contraction gravitationnelle du cœur. Les points rouges et verts figurent respectivement les espèces ioniques et moléculaires neutres, tandis que les flèches indiquent leur mouvement d'afflux vers le centre du cœur (plus leur vitesse est élevée, plus les flèches sont longues). Alors que dans les régions périphériques du cœur, les ions comme les neutres restent liés aux lignes de champ magnétique, dans les régions internes, les neutres se désolidarisent de ces lignes et chutent plus rapidement vers le centre que les ions, qui demeurent accrochés au champ magnétique. Ce phénomène de désolidarisation ions-neutres, appelé diffusion ambipolaire, est indispensable au déclenchement de l'effondrement gravitationnel du cœur pré-stellaire ; cet effondrement donnera naissance à une proto-étoile en son centre et, à terme, à un système stellaire semblable à notre propre Système solaire. © Y. Nakamura & D. Arzoumanian, Université de Kyushu