La démographie
des populations d’étoiles

Pourquoi les étoiles naissent en grande fratrie, avec plus de soleil que d’étoiles géantes ou d’étoiles de très petites tailles? La masse d’une étoile est-elle innée ou acquise ? La première phase dans la formation d’une étoile est ce qu’on appelle la phase préstellaire, au cours de laquelle le nuage moléculaire « parent » se fragmente en morceaux. Herschel déterminera la proportion de fragments préstellaires en mesurant leur luminosité et leur masse. Il construira ainsi des courbes démographiques des condensations préstellaires et des embryons d’étoiles.

Les grandes fratries d'étoiles

Les observations d’amas de jeunes étoiles révèlent que la proportion d’individus diffère en fonction de la masse. Les étoiles géantes ou massives (8 fois la masse du soleil ou plus) sont minoritaires dans une population d’étoiles. C’est la même constatation pour les étoiles très petites (10 fois plus légères que le soleil ou moins). Les étoiles majoritaires sont toujours celles qui ont une masse proche de celle du Soleil. Ainsi la courbe démographique d’une population d’étoiles à la naissance est décrite par une fonction mathématique qui prédit le nombre d’étoiles dans un amas en fonction de leur masse. Cette fonction est nommée « Fonction de masse stellaire initiale » dans le jargon des astrophysiciens. Aujourd’hui, une question se pose sur l’universalité de cette répartition des masses stellaires. En ce sens qu’autant qu’on puisse la mesurer, elle se retrouve identique quelles que soient la zone de l’Univers et la population d’étoiles que l’on observe, non seulement dans notre voisinage proche, mais aussi ailleurs dans la galaxie et dans d’autres galaxies.

À GAUCHE - L’amas de jeunes étoiles au sein de la Nébuleuse d’Orion.
Crédit : ESO
À DROITE - Nombre d’étoiles en fonction de leur masse dans la Nébuleuse d’Orion. La majorité des étoiles ont une masse entre 0.1 et 1 fois la masse du soleil.
Crédit : adapté de Lynne A. Hillenbrand & John M. Carpenter

La masse d’une étoile est-elle innée ou acquise ?

Nous avons vu que la très grande majorité des étoiles naissent en grande fratrie, les amas. Pour comprendre comment une population d’étoiles naît et pourquoi sa répartition en masse est celle que l’on observe, les astrophysiciens ont proposé deux modèles qui reposent sur des simulations numériques. Dans le premier modèle, la masse de l’étoile est innée. Les nuages moléculaires se fragmentent en un certain nombre de condensations préstellaires qui se libèrent de leur environnement turbulent. Ils s’effondrent sur eux-mêmes pour chacun donner naissance à un ou des embryons d’étoile. Les masses des étoiles formées sont directement reliées aux masses des condensations préstellaires initiales. La répartition des individus en fonction de leur masse, au sein de la population ainsi formée, résulte du processus de fragmentation des nuages au stade préstellaire, c’est-à-dire avant l’effondrement des condensations. Dans le deuxième modèle, la masse de l’étoile est acquise. La répartition en masse des étoiles formées est quasiment indépendante des masses initiales des cœurs préstellaires produits par fragmentation. Chaque embryon d’étoile issu d’une condensation préstellaire se déplace à l’intérieur du nuage parent et accumule progressivement de la masse en « balayant » et en aspirant une plus ou moins grande quantité de matière qu’il traverse. Plus une étoile est grosse, plus elle attirera de la matière au détriment des plus petits objets. On parle alors d’accrétion (=attraction de la matière) compétitive. Dans ce modèle, la répartition des individus en fonction de leur masse n’est déterminée qu’après le stade préstellaire, c’est-à-dire après l’effondrement des condensations en étoiles. Notons que ce second modèle pourrait mieux expliquer la formation des étoiles les plus grosses.

Qu’allons-nous déduire avec Herschel ?

Herschel sondera les nuages moléculaires à la recherche des condensations glacées dans lesquelles naissent les étoiles, des naines brunes aux étoiles géantes. Herschel part ainsi à la recherche des fragments des nuages moléculaires qui sont susceptibles de s’effondrer pour former des étoiles ou des amas d’étoiles. À partir de ces observations, les astronomes déduiront la proportion de fragments préstellaires en mesurant leur luminosité et en déduisant leur masse. Ils construiront ainsi des courbes démographiques des condensations préstellaires et des embryons d’étoiles. En comparant ces courbes à celles qui sont connues pour les populations d’étoiles de notre galaxie, les astronomes pourront conclure sur l’origine de la masse des étoiles.