Au-delà du visible : l'anatomie du nuage moléculaire Orion B révélée en radioastronomie

Mardi, 7 mars 2017

La nouvelle génération de récepteurs astronomiques en cours de déploiement dans les télescopes de l'IRAM (30 mètres dans la Sierra Nevada en Espagne et l'interféromètre NOEMA au Plateau de Bure) fait entrer la radio-astronomie dans l'ère du traitement massif de données. Une équipe internationale à majorité française et conduite par Jérôme Pety (IRAM/ Observatoire de Paris) et Maryvonne Gerin (CNRS) a ainsi obtenue les observations radio les plus complètes du nuage Orion B qui est connu pour abriter les nébuleuses de la Tête de Cheval et de la Flamme. Grâce à des techniques dites "machine learning", l'équipe caractérise l'état physique du nuage à partir de traceurs moléculaires et relie quantitativement l'efficacité de formation des étoiles aux types de mouvements turbulents (compressifs ou tourbillonnaires) à l'oeuvre.

La radio-astronomie à l'ère du big data
Depuis six ans, une nouvelle génération de récepteurs radio est progressivement déployée dans les deux observatoires de l'IRAM, très grande infrastructure de recherche du CNRS. Installée d'abord dans le radio-télescope de 30 mètres dans la Sierra Nevada, puis progressivement généralisée dans les 10 antennes de l'interféromètre NOEMA du Plateau de Bure en France, ces récepteurs permettent de mesurer l'équivalent de 80000 couleurs simultanément ! Cette multiplication de la quantité d'information d'un facteur environ 50 change complètement la manière de faire de la radio-astronomie. 

Ainsi le projet international ORION-B, emmené par une équipe française, a obtenu à l'aide du radio-télescope de 30 mètres le relevé le plus complet à ce jour du nuage d'Orion B dans le domaine radio. En cinq jours d'observations, l'équipe a obtenu 80000 images sur un champ de vue d'un degré carré sur le ciel (un peu plus de quatre fois la surface que la lune couvre). Cela représente la même quantité de données qu'une couverture complète du ciel en seulement cinq jours d'observations à la la résolution angulaire du 30 mètres, ou encore l'équivalent de quoi produire une image couvrant 1400 téléviseurs 4K placés les uns à cotés des autres/ C'st$la rencontre du traitement massif de données et de la radioastronomie millimétrique. La question est comment faire parler cette quantité de données ?

L'essence du projet ORION-B est de poser les questions d'évolution du milieu interstellaire et de formation des étoiles sous une approche statistique. Les radioastronomes du monde entier s'y essaient mais les données ci-dessus constituent probablement le premier jeu qui permette d'obtenir un résultat clair. Orion-B est un gigantesque réservoir de matière interstellaire, fait de gaz et de poussière, qui contient environ 70000 fois la masse du soleil. Les étoiles naissent dans des condensations qui se développent à l'intérieur de ces nuages interstellaires. Les vents violents et les rayons ultra-violets des étoiles massives jeunes érodent et perturbent le nuage moléculaire qui leur a donné jour. Les données acquises permettent de détecter le signal provenant de nombreuses molécules telles que le monoxyde de carbone, le monosulfite de carbone, les cyanures, le méthanol, les petits hydrocarbures.


Figure 1: Le nuage moléculairegéant tel qu'observé à l'aide de 3 raies dans le domaine radio (Image supérieure. crédits : J. Pety, the ORION-B Collaboration / IRAM) ou dans le domaine visible (Image inférieure. Crédits Sergi Verdugo Martínez.

Jérôme Pety, astronome à l'Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) explique : "Détecter ces molécules est crucial, car l'hydrogène moléculaire, qui forme environ 75% de la masse du gaz interstellaire, est invisible aux températures très froides du milieu (moins de 220 degrés Celsius). L'émission radio donne ainsi une radiographie des nuages qui seraient autrement invisibles à l'oeil nu."

Pierre Gratier, astronome au Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux, ajoute : "En applicant une méthode puissante de l'analyse statistique, à savoir l'Analyse en Composante Principale (PCA), sur les brillances d'une dizaines de raies qui sont des traceurs différents du milieu, on obtient facilement trois composantes qui ont un sens physique clair : la première est la quantité de matières totale le long de la ligne de visée, la deuxième est l'illumination UV produite par les étoiles jeunes proches (un élément puissant de structuration du milieu), et la troisième est la densité locale du gaz. On obtient ainsi une sorte de radiographie de l'état physique dans lequel se trouve le nuage, ce qui permet de caractériser son évolution passée et future."

La formation des étoiles
Les données du projet ORION-B éclairent aussi une des questions-clés de l'astrophysique moderne, à savoir pourquoi les nuages moléculaires forment-ils si peu d'étoiles ? En effet, alors que les nuages devraient s'effondrer sous leur propre poids pour se transformer entièrement en coeurs denses, puis en étoiles, au plus quelques pour cents du nuage se transforment in fine en étoiles. Quels sont donc les paramètres-clés qui régulent le taux de formation des étoiles ?

Maryvonne Gerin du CNRS-INSU expose : "Une réponse possible réside dans la nature des mouvements du gaz à agitation constante, les mouvements de compression déclenchent l'effondrement des coeurs denses en étoiles, alors que les mouvements de rotation offrent une résistance efficace à l'effondrement gravitationnel." De fait, l'équipe mesure quantitativement pour la première fois un lien entre efficacité de formation des étoiles et modes d'injection d'énergie de la turbulence. Jan Orkisz, étudiant en thèse à l'université de Grenoble, résume les résultats : "Les mouvements du nuage sont en moyenne principalement injectés sous forme de tourbillons. C'est cohérent avec le fait qu'Orion B est le nuage moléculaire proche qui forme le moins d'étoiles rapporté à sa masse. Notre étude montre de plus que, alors que la proportion de mouvements compressifs est faible à grande échelle, cette proportion augmente fortement lorsque nous zoomons sur la nébuleuse de la Flamme, qui est la région d'Orion B où la majeure partie de la formation des étoiles se déroule en ce moment."

Figure 2 : Le chasseur dessiné par Johannes Hevelius sur la constellation d'Orion dans Prodromus Astronomia, volume III : Firmamentum Sobiescianum, sive Uranographia (1690) et un dessin de chevalier Jedi superposé sur une partie des données du projet ORION-B. Crédits : Audrey Pety

Les observations du projet ORION-B délivrent un jeu de données impressionnant. Harvey Liszt, astronome à NRAO, commente : "La manière dont ce domaine de la science a grandi est époustouflant. Pendant ma thèse sous la direction du prix Nobel Bob Wilson, je me souviens avoir obtenu le premier spectre très bruité du monoxyde de carbone dans cette région à l'aide de l'un des tous premiers récepteurs d'ondes radio millimétriques. Et quelques décennies plus tard, nous obtenons très facilement des cartes de la répartition de nombreuses molécules sur l'ensemble du nuage !"

Dans les trois prochaines années, la surface observée d'Orion B va encore être multipliée par 4 (pour un total de près de 1000 heures d'observations) et il ne fait aucun doute que ce type d'images radio va se généraliser dans un futur proche. Lorsque cela arrivera, l'approche pionnière du projet ORION-B aura délivré les outils nécessaires et l'expérience pour faire parler les jeux de données toujours plus grands.

 

 

Pour en savoir plus: 
Source(s): 
Les trois articles scientifiques associés ont été publiés dans la revue Astronomy and Astrophysics, le 7 mars 2017.
Contact(s):
  • Jérôme Pety, IRAM / LERMA (CNRS/Observatoire de Paris/Université Cergy-Pontoise/UPMC/ENS Paris)
    pety [at] iram [dot] fr, 04 76 82 49 87
  • Maryvonne Gerin, CNRS-INSU
    maryvonne [dot] gerin [at] obspm [dot] fr, 01-44-32-33-48

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