MILIEU INTERSTELLAIRE, NAISSANCE ET MORT DES ÉTOILES

La Galaxie est un système complexe et évolutif. Ses trois composantes matérielles (baryoniques), étoiles, nuages interstellaires et rayonnement cosmique sont en symbiose. Les nuages accouchent de lignées d'étoiles. Les étoiles, réacteurs nucléaires à confinement gravitationnel synthétisent la variété complète des noyaux d'atomes à l'exception des plus légers, et les rejettent dans le milieu environnant sous l'effet de leurs vents et de leur explosion. Les ondes de choc engendrées par les supernovae communiquent une très haute vitesse à une fraction congrue de la matière. Ce cycle laisse derrière lui des résidus compacts, naines blanches, étoiles à neutrons et trous noirs. De génération en génération d'étoiles le milieu interstellaire s'enrichit en éléments complexes, propices à la vie. Les noyaux d'atomes, expulsés par les étoiles, s'entourent d'électrons et s'enchaînent en molécules dans le froid des nuages. Il naît toute une chimie. Les indices observationnels de la nucléosynthèse stellaire, de la chimie nuageuse et de l'évolution chimique de la Galaxie seront passés en revue, avec une mention spéciale à l'astronomie gamma, révélatrice de la violence créatrice des étoiles, et au stellaire INTEGRAL, qui en est le fleuron européen.

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Paris, 9 février 2012

La naissance turbulente des super-amas d'étoiles dans les galaxies en fusion
Il s'agit de la première étude réalisée sur des données scientifiques collectées par le tout nouveau Atacama Large Millimeter Array (ALMA). En le couplant au Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire Européen Austral, des équipes françaises de l'Institut d'astrophysique spatiale (IAS-CNRS/Université Paris-Sud) et du Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique (LERMA- Observatoire de Paris/CNRS/Ecole normale supérieure/Université Pierre et Marie Curie/Université Cergy-Pontoise) ont pu pour la première fois retracer les prémices de la formation d'étoiles dans les galaxies des Antennes(1). Parue le 9 février dans la revue européenne Astronomy and Astrophysics Letters, cette approche novatrice révèle l'origine des super-amas d'étoiles dans les galaxies en fusion.
La fusion de deux galaxies provoque de spectaculaires flambées de formation d'étoiles si lumineuses que les astronomes les voient loin dans le passé jusqu'au tout début de l'Univers. Ces feux d'artifice astronomiques associés à la naissance de gigantesques amas stellaires réunissent plusieurs millions d'étoiles dans un espace réduit à quelques dizaines d'années-lumière. Sur ce même volume, on ne trouve autour du Soleil que quelques étoiles.
Les astronomes ont découvert ces super-amas dans les galaxies des Antennes, il y a une vingtaine d'années avec le télescope spatial Hubble, mais les processus physiques qui conduisent à leur formation sont encore méconnus. Aujourd'hui, en combinant les premières données fournies par ALMA avec celles obtenues au préalable avec le VLT, les scientifiques mettent en évidence pour la première fois comment la fusion des galaxies déclenche la formation de super-amas stellaires. L'observation d'un tel phénomène s'intègre parfaitement aux objectifs de recherche d'ALMA.
Ce travail est au cœur de la thèse préparée par Cinthya Herrera, doctorante à l'Institut d'astrophysique spatiale (IAS) et titulaire d'une bourse de recherche dans le cadre de l'accord entre le CNRS et la CONICYT (Chili). Elle a suivi une nouvelle idée qui consiste non pas à observer des amas stellaires déjà formés, mais plutôt à observer l'énergie perdue par le gaz dans lequel seront formés les amas. En effet, les étoiles se forment dans des régions où le gaz est très dense et très froid. Or, la fusion de deux galaxies rend le gaz très turbulent. Celui-ci doit donc perdre cette énergie pour pouvoir se condenser, se refroidir, s'effondrer et ainsi former les amas de nouvelles étoiles.
Cette perte d'énergie considérable, prédite par la théorie, est aujourd'hui visible grâce aux observations conjointes des deux télescopes. Quand le gaz se calme et perd son énergie turbulente par radiation, la luminosité qu'il émet est observable dans l'infrarouge proche : elle est donc captée par le VLT. Quant aux observations d'ALMA, elles ont mis en évidence l'extrême agitation turbulente du gaz dans ces immenses nuages où les amas d'étoiles se forment. Cette turbulence est causée par l'énergie gravitationnelle libérée lors de l'interaction des deux galaxies.
Dans un seul de ces nuages, les observations ont révélé une concentration de gaz rayonnant une quantité considérable de son énergie turbulente. Cette région contient assez de gaz pour former son propre super-amas. Et là où ALMA ne voit qu'un nuage parmi d'autres, le VLT y voit l'objet le plus brillant de toute la région d'interaction des Antennes. Les calculs indiquent que dans quelques millions d'années – le temps d'un clin d'œil à l'échelle de l'univers – ce gaz aura perdu toute sa turbulence et un nouvel amas sera né. Ce premier résultat annonce de futures découvertes que les astronomes comme Cinthya Herrera se préparent à faire avec ALMA qui atteindra bientôt toute sa puissance.

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Paris, 5 juillet 2012

Entre étoile et planète : une naine brune en formation
Une équipe internationale dirigée par le laboratoire AIM (1) (CEA-CNRS- Université Paris Diderot) vient de visualiser la toute première étape de la formation d'une naine brune, un de ces astres de très faible masse, entre étoile et planète. Si l'on sait aujourd'hui détecter les naines brunes, malgré leur faible rayonnement, en revanche leur gestation reste mystérieuse. C'est grâce au grand interféromètre de l'IRAM (CNRS) (2), sur le plateau de Bure, que les astrophysiciens ont pu localiser une condensation de gaz et de poussières indiquant la formation d'une naine brune. Cette découverte et son interprétation sont présentées dans la revue Science du 6 juillet 2012.
Des astres de toutes masses peuvent se former dans l'Univers. Certains sont des étoiles, d'autres des planètes. La frontière s'établit en fonction de leur masse. L'« entre-deux » correspond à un domaine de masse entre 13 et 80 fois la masse de Jupiter, la plus grosse planète du système solaire, soit, aussi, une masse inférieure à 8% de celle du Soleil. Ni vraiment étoile, ni vraiment planète, l'astre atteint une température suffisante pour la fusion du deutérium, mais qui ne permet pas de déclencher la réaction de fusion de l'hydrogène, réaction  qui est la source d'énergie des étoiles.
C'est à la fois ce domaine de masse intermédiaire et un mode de formation distinct de celui des planètes, qui caractérisent les naines brunes. Celles-ci rayonnent si peu qu'il a fallu attendre 1995 pour que la première, baptisée Teide-1, soit détectée au cœur de l'amas des Pleiades par son émission infrarouge. Depuis, plusieurs centaines ont été découvertes par de grands sondages infrarouges, sans que le mécanisme exact de leur formation soit bien établi.

Pour observer cette phase très précoce de formation d'étoiles, où celles-ci sont encore des objets « froids » sans source d'énergie interne, les chercheurs ont utilisé le grand interféromètre IRAM (Institut de Radioastronomie Millimétrique) du plateau de Bure (Hautes-Alpes, France), opérant dans le domaine des ondes millimétriques. En plus de cette gamme de longueur d'onde particulièrement adaptée, l'interféromètre IRAM offre, grâce à ses six antennes mobiles de 15 mètres de diamètre, une résolution inatteignable avec des télescopes à antenne unique, comme celui de l'observatoire spatial Herschel par exemple.

La naine brune en formation observée par les chercheurs, nommée Oph B-11, est une condensation de gaz et de poussières située au sein d'une vaste région de formation d'étoiles, le nuage sombre de Rho Ophiuchi, à environ 450 années-lumière de la Terre. La très bonne résolution de l'interféromètre de l'IRAM a permis d'estimer que sa taille est d'environ 140 unités astronomiques (UA(3)), soit la taille approximative du Système solaire : rapportée au nuage de Rho Ophiuchi, c'est une taille très compacte. Comme Oph B-11 n'est pas détectée dans l'infrarouge, notamment par le satellite Herschel, les astronomes en déduisent que sa température n'excède pas 10K (-263°C). Ces caractéristiques, ajoutées à l'émission millimétrique détectée avec l'interféromètre de l'IRAM, indiquent que la masse du nuage ne dépasse pas 2 à 3% la masse du Soleil, exactement le domaine des naines brunes.

« Nous avons choisi une zone particulière d'Ophiuchus, la région L1688, car il y règne une pression supplémentaire qui pouvait favoriser la formation d'une naine brune ; De plus, nous avions déjà identifié une source, mais via un autre télescope, dont la résolution ne permettait pas de mesurer la taille de l'objet »,  explique Philippe André, du CEA-Irfu. « C'est la première fois que nous découvrons un fragment de nuage suffisamment compact et dense pour former une naine brune par effondrement, exactement comme se forment les étoiles plus massives. »

Cette découverte démontre que certaines naines brunes au moins se forment exactement comme les autres étoiles. Pourtant, cette hypothèse était jusqu'ici plutôt écartée car la gravité d'un fragment de nuage de très faible masse semblait insuffisante pour provoquer son effondrement.

Les chercheurs imaginent que d'autres forces que la gravité pourraient contribuer à la formation des étoiles, notamment les mouvements turbulents de la matière au sein des nuages sombres. Cette turbulence  pourrait être également responsable des filaments de matière découverts récemment dans ces nuages par le satellite Herschel.
Les naines brunes, qui sont des astres très peu brillants, commencent tout juste à être étudiées. On estime leur nombre dans la galaxie entre 50 à 100 milliards, soit de 20 à 40% des astres de la Galaxie, et il est possible qu'une de ces naines brunes encore non détectées soit plus près de la Terre que la plus proche étoile actuellement connue, Proxima du Centaure.

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Paris, 12 avril 2012

Première modélisation de la structuration de tout l'Univers observable du Big-Bang jusqu'à aujourd'hui
Une équipe de chercheurs du Laboratoire Univers et Théories (LUTH, Observatoire de Paris/ CNRS/Université Paris Diderot) (1) dirigée par Jean-Michel Alimi vient de réaliser pour la première fois le calcul de la structuration de tout l'Univers observable, du Big Bang jusqu'à aujourd'hui. La simulation effectuée a permis de suivre 550 milliards de particules. Elle est la première des trois étapes d'un projet exceptionnel, appelé Deus: full universe run (2) réalisé sur le nouveau supercalculateur CURIE de GENCI exploité au Très Grand Centre de Calcul (TGCC) du CEA. La simulation déjà réalisée et celles programmées pour fin mai 2012 constitueront une aide exceptionnelle aux grands projets d'observation et de cartographie de notre Univers. Elles permettront de mieux comprendre la nature de l'énergie noire et son influence sur la structuration de l'Univers, l'origine de la distribution de la matière noire et des galaxies.
Après des développements de plusieurs années, six chercheurs (3) de l'équipe Cosmologie du LUTH ont réalisé  la première simulation de la structuration de tout notre Univers observable, du Big Bang jusqu'à aujourd'hui. Au-delà du modèle cosmologique standard avec constante cosmologique qu'ils viennent d'achever, leurs travaux distinguent deux autres modèles cosmologiques avec énergie noire (4), composante mystérieuse introduite pour expliquer l'accélération de l'expansion de l'Univers (5). Quelle est l'empreinte de l'énergie noire sur la structuration de l'Univers ? Et réciproquement, comment déduire de l'étude de la structuration de l'Univers la nature de cette énergie ? Deux questions fondamentales auxquelles le projet Deus : full universe run tentera de répondre.
La simulation du modèle standard de la cosmologie, qui vient d'être réalisée, a déjà permis de mesurer le nombre d'amas de galaxies de masse supérieure à cent mille milliards de masse solaire qui s'élève aujourd'hui à plus de 144 millions. Autres enseignements : le premier amas de ce type est apparu alors que l'Univers n'avait que 2 milliards d'années et l'amas le plus massif dans l'Univers observable aujourd'hui pèse 15 millions de milliards de masses solaires. Les données générées lors du calcul permettent également de mesurer les fluctuations de la distribution de la matière noire. Celles-ci résultent des fluctuations du fond de rayonnement cosmologique issues du Big-Bang, observées par les satellites WMAP et Planck. Ces observations sont cette fois obtenues dans une simulation qui couvre toute l'histoire de l'Univers, avec une précision jamais atteinte et sur la plus large gamme d'échelles jamais observées, de quelques millionièmes à la taille de l'Univers. Elles dévoilent avec précision les empreintes sur la matière noire des oscillations du gaz primordial (« Oscillations Baryoniques Acoustiques »). Ces calculs apparaissent déjà comme une mine prodigieuse de nouveaux résultats intéressant toute la communauté cosmologique.
La mise en œuvre de ce projet exceptionnel a été rendue possible grâce aux puissantes ressources mises à la disposition de ces chercheurs par GENCI (6), le Grand Equipement National de Calcul Intensif, sur son supercalculateur CURIE doté de plus de 92 000 unités de calcul et capable de réaliser 2 millions de milliards d'opérations à la seconde (2 PFlop/s). La machine CURIE est installée et exploitée par le CEA au sein du Très Grand Centre de Calcul, à Bruyères-le-Châtel (Essonne). Conçue par Bull, c'est l'une des cinq machines les plus puissantes au monde.
Deus : full universe run constitue une nouvelle avancée qui dépasse largement les calculs les plus performants réalisés à ce jour par toutes les équipes internationales sur les plus grands centres de calcul du monde. L'ensemble du projet nécessitera plus de 30 millions d'heures de calculs (près de 3500 ans) réparties sur la quasi-totalité des unités de calcul CURIE. Plus de 150 péta-octets de données (soit l'équivalent de 30 millions de DVD) seront générés durant ces calculs. Grâce à un processus de sélection avancé et innovant, il sera possible de n'en conserver que 1 Po utile.
Dès à présent, il est possible de parcourir pour la première fois, pour le modèle standard de la cosmologie avec constante cosmologique, la distribution de la matière noire et des galaxies dans tout l'Univers sur des distances équivalent à 90 milliards d'années-lumière (7), et d'observer leurs évolutions tout au long de l'histoire de l'Univers.

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