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Le milieu interstellaire des galaxies

Herschel étudiera en détail la composition du milieu interstellaire des galaxies. Il étudiera les nuages de Magellan en particulier, deux galaxies naines voisines, très proches de notre galaxie. À cause de leur proximité, les astronomes peuvent étudier l'effet d'une région de formation d’étoiles sur le milieu interstellaire. En parallèle avec ces études détaillées, Herschel étudiera les propriétés d'un échantillon de galaxies naines. Les propriétés des galaxies naines sont très importantes parce que les astronomes suggèrent que les galaxies plus massives comme la nôtre sont issues de fusion de ces petites galaxies.

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Evolution du millieu interstellaire des Galaxies [03'45]
Marc Sauvage, astrophysicien au CEA

La composition du milieu interstellaire

Le milieu interstellaire contient 99% de gaz (hydrogène et hélium principalement) et 1% de poussière. La poussière est le terme en astronomie pour les solides de petites tailles. Les grains solides dans l'espace sont composés d’éléments très courants (carbone, oxygène, magnésium et silicium). Les deux matériaux principaux sont des silicates (sable) et du carbone (diamant, graphite ou carbone amorphe). Cette petite fraction de grains solides est très importante parce que les solides interagissent fortement avec la lumière. Souvent les gaz sont très transparents. Par contre, les petits grains absorbent et diffusent la lumière avec une grande efficacité comme une petite quantité de fumée peut rendre une salle très sombre. Par leur interaction avec la radiation, ils aident à régler la température dans le milieu interstellaire : chauffer par absorption de la lumière et refroidir par émission de radiation thermique. Les surfaces des grains sont aussi des endroits où des réactions chimiques peuvent se dérouler.

Grain de graphite trouvé dans la météorite Murchison. Crédit : Bernatowicz et al, ApJ v.472, p.760 Grain de poussière interplanétaire récupéré par la mission Stardust. La forme très irrégulière peut être typique dans le milieu interstellaire froid. Crédit : https://publicaffairs.llnl.gov
À GAUCHE - Grain de graphite trouvé dans la météorite Murchison. La composition indique que le grain s’est formé lors d’une explosion supernova avant être injecté dans le milieu interstellaire. Le centre du grain est un petit coeur de titanium-carbide.
Crédit : Bernatowicz et al, ApJ v.472, p.760  
À DROITE - Grain de poussière interplanétaire récupéré par la mission Stardust. La forme très irrégulière peut être typique dans le milieu interstellaire froid.
Crédit : https://publicaffairs.llnl.gov

Le milieu interstellaire modifie la lumière

Comment connaître la nature de la matière dans le milieu interstellaire ? La première indication de cette matière vient des observations des étoiles. Les étoiles les plus lointaines apparaissent plus rouges que leurs consoeurs les plus proches. C'est la matière du milieu interstellaire qui modifient les couleurs. La lumière bleue est absorbée et diffusée dans le milieu interstellaire avec beaucoup plus d’efficacité que la lumière rouge. Cette différence entre le rouge et le bleue signifie que la lumière interagit avec la matière. C’est un indice sur la nature d’un composant important dans le milieu interstellaire dont la taille est autour de 0.1 micromètre : la longueur d’onde typique de la lumière visible. Ce sont les grains de poussière interstellaire. C’est le même principe que dans notre atmosphère terrestre. Chez nous ce sont les aérosols qui rendent le ciel bleu, parce que la partie bleue de la lumière du soleil est diffusée par préférence dans l'atmosphère.

Image de Grand Nuage de Magelan dans l'infrarouge proche a partir des données Spitzer. Crédit : NASA Spitzer – SAGE team Image du Grand Nuage de Magellan dans l'infrarouge proche à partir des données Spitzer. L'image est dominée par la lumière des étoiles (bleu) et l'émission des grandes molécules (rouge).
Crédit : NASA Spitzer – SAGE team - http://sage.stsci.edu (fournie par S. Hony)

Les grains de poussière :
sondes du milieu interstellaire

En observant ces décalages de couleur vers le rouge, les physiciens obtiennent des contraintes importantes sur les grains de poussière qui gisent entre les étoiles : sur leur taille et sur la quantité des grains les plus petits. Mais cette méthode est très indirecte et se limitent qu’aux milieux ayant des étoiles en fond qui « éclairent » ces petits grains de matière. Pour voir les grains directement, les astrophysiciens observent dans l'infrarouge lointain et submillimétrique. Chaque grain absorbe si peu de lumière qu’ils restent très froids, souvent à -250°C. Même avec des températures si basses, ils émettent de la lumière, mais c'est de la lumière infrarouge. Herschel sera le premier télescope à voir toute cette lumière.

Qu’allons-nous déduire avec Herschel :
les propriétés des poussières

La masse totale des grains de poussière est très importante parce que les astronomes l'utilisent comme mesure de la masse totale du gaz dans le milieu interstellaire. Cela permet par exemple de déterminer la masse des cocons d’étoiles. Cette masse est dominée par celle du gaz et donc l’hydrogène. Souvent sous forme d’hydrogène moléculaire, il est très difficile à observer parce qu’il émet très peu. Les astronomes mesurent alors la masse totale de la poussière sur une zone donnée. La détermination de cette masse de poussière interstellaire nécessite de bien connaître les propriétés des grains qui la composent. Or la taille des grains est encore mal connue. Ainsi la masse des gros grains est estimée avec beaucoup d’incertitudes. Ces gros grains restent plus froids que les petits grains et ils émettent peu de lumière, même dans l’infrarouge. Par contre les petits grains sont facilement observables dans l’infrarouge. Pour le moment les grains, gros et froids sont pratiquement cachés. Herschel sera le premier télescope à pouvoir les détecter dans la gamme d’énergie infrarouge et submillimétrique.

Image de Grand Nuage de Magellan dans l'infrarouge moyen a partir des données Spitzer.  Crédit : NASA Spitzer – SAGE team Image de Grand Nuage de Magellan dans l'infrarouge moyen a partir des données Spitzer. L'image est dominée par l'émission de grains de poussière chaude. Les régions les plus intenses sont de régions de formation des étoiles. A l'intérieur se trouvent des amas d’étoiles jeunes et très lumineux qui chauffent la poussière fortement. Les régions sombres sont des régions vides ou très froides.
Crédit : NASA Spitzer – SAGE team - http://sage.stsci.edu (fournie par S. Hony)

Qu’allons nous déduire avec Herschel :
la métallicité des galaxies

Où les grains sont-ils fabriqués ? Où sont-ils détruits ? La matière dans le milieu interstellaire n'est pas statique. Typiquement la matière reste dans le milieu interstellaire pendant plusieurs centaines de millions d’années avant d’être utilisée dans une nouvelle génération d’étoiles. Pendant ce temps, la matière est exposée plusieurs fois aux effets des explosions de supernovae, qui peuvent détruire les grains ou les modifier. On ne sait pas très bien si les grains sont facilement détruits ou s’ils peuvent résister. On observe qu’il y a des grains partout, ce qui signifie que s'ils sont détruits, ils doivent aussi être reformés. Pour comprendre le cycle de fabrication de la poussière, les astrophysiciens tentent de caractériser les propriétés du milieu interstellaire en fonction de son environnement. Un paramètre fondamental est la metallicité. La metallicité est le paramètre qui décrit la quantité des atomes lourds (C, O…) par rapport à l'hydrogène. Les éléments lourds sont les composants à la base de tous les solides. Tous ces éléments lourds sont produits dans les étoiles et injectés dans le milieu interstellaire par des vents et des explosions stellaires. Le résultat est que la métallicité augmente avec chaque génération d'étoiles qui déposent de nouveaux atomes lourds issus des réactions de fusion nucléaire. Si on regarde une galaxie jeune dans l'univers lointain ou une galaxie ayant peu formé d'étoiles au cours de son histoire, la metallicité y est faible.

Résultats

Naissance des étoiles
La plupart des galaxies n’enfantent pas dans la douleur
Cinq galaxies lointaines détectées grâce à Herschel
Lentilles gravitationnelles dans le submillimétrique

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    [20:18] Hervé Aussel
  • Chiffres clés :
    Notre galaxie, la Voie Lactée

    Population ≈ 100 Md d'étoiles
    Diamètre 100000 années lumières
    Masse 100 Md x
    la masse du soleil
    Age    Univers : 13,7 Md d'années
    1 année lumière=1016m

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