Des simulations montrent pourquoi les étoiles formées dans différents environnements ont des masses similaires


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  • L’année dernière, une équipe d’astrophysiciens comprenant des membres clés de l’Université Northwestern a lancé STARFORGE, un projet qui produit les simulations 3D les plus réalistes et à la plus haute résolution de la formation d’étoiles à ce jour. Maintenant, les scientifiques ont utilisé les simulations très détaillées pour découvrir ce qui détermine les masses des étoiles, un mystère qui a captivé les astrophysiciens pendant des décennies.

    Dans une nouvelle étude, l’équipe a découvert que la formation d’étoiles est un processus d’autorégulation. En d’autres termes, les étoiles elles-mêmes fixent leurs propres masses. Cela aide à expliquer pourquoi les étoiles formées dans des environnements disparates ont toujours des masses similaires. Cette nouvelle découverte pourrait permettre aux chercheurs de mieux comprendre la formation des étoiles au sein de notre propre Voie lactée et d’autres galaxies.

    L’étude a été publiée la semaine dernière dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. L’équipe collaborative comprenait des experts de Northwestern, de l’Université du Texas à Austin (UT Austin), des observatoires Carnegie, de l’Université de Harvard et du California Institute of Technology. L’auteur principal de la nouvelle étude est Dávid Guszejnov, boursier postdoctoral à l’UT Austin.

    « Comprendre la fonction de masse initiale stellaire est un problème si important car il a un impact sur l’astrophysique à tous les niveaux – des planètes proches aux galaxies lointaines », a déclaré Claude-André Faucher-Giguère de Northwestern, co-auteur de l’étude. « C’est parce que les étoiles ont un ADN relativement simple. Si vous connaissez la masse d’une étoile, alors vous savez la plupart des choses sur l’étoile : combien de lumière elle émet, combien de temps elle vivra et ce qui lui arrivera quand elle mourra. La distribution des masses stellaires est donc essentielle pour savoir si les planètes en orbite autour des étoiles peuvent potentiellement soutenir la vie, ainsi que pour savoir à quoi ressemblent les galaxies lointaines. »

    Faucher-Giguère est professeur agrégé de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du Centre interdisciplinaire d’exploration et de recherche en astrophysique (CIERA).

    L’espace extra-atmosphérique est rempli de nuages ​​géants, composés de gaz froid et de poussière. Lentement, la gravité attire les particules lointaines de ce gaz et de cette poussière les unes vers les autres pour former des amas denses. Les matériaux de ces amas tombent vers l’intérieur, s’écrasent et provoquent de la chaleur pour créer une étoile nouveau-née.

    Autour de chacune de ces « protoétoiles » se trouve un disque rotatif de gaz et de poussière. Chaque planète de notre système solaire était autrefois des taches dans un tel disque autour de notre soleil nouveau-né. Que les planètes en orbite autour d’une étoile puissent ou non héberger la vie dépend de la masse de l’étoile et de la façon dont elle s’est formée. Par conséquent, comprendre la formation des étoiles est crucial pour déterminer où la vie peut se former dans l’univers.

    « Les étoiles sont les atomes de la galaxie », a déclaré Stella Offner, professeure agrégée d’astronomie à l’UT Austin. « Leur distribution de masse dicte si les planètes vont naître et si la vie pourrait se développer. »

    Chaque sous-domaine de l’astronomie dépend de la distribution de masse des étoiles – ou fonction de masse initiale (IMF) – ce qui s’est avéré difficile pour les scientifiques à modéliser correctement. Les étoiles beaucoup plus grosses que notre soleil sont rares et ne représentent que 1 % des étoiles naissantes. Et, pour chacune de ces étoiles, il y a jusqu’à 10 étoiles semblables au soleil et 30 étoiles naines. Les observations ont révélé que peu importe où nous regardons dans la Voie lactée, ces ratios (c’est-à-dire l’IMF) sont les mêmes, à la fois pour les amas d’étoiles nouvellement formés et pour ceux qui ont des milliards d’années.

    C’est le mystère du FMI. Chaque population d’étoiles dans notre galaxie, et dans toutes les galaxies naines qui nous entourent, a ce même équilibre – même si leurs étoiles sont nées dans des conditions extrêmement différentes pendant des milliards d’années. En théorie, le FMI devrait varier considérablement, mais il est pratiquement universel, ce qui a déconcerté les astronomes pendant des décennies.

    « Pendant longtemps, nous avons demandé pourquoi », a déclaré Guszejnov. « Nos simulations ont suivi les étoiles de leur naissance jusqu’au point final naturel de leur formation pour résoudre ce mystère. »

    Les nouvelles simulations ont cependant montré que la rétroaction stellaire, dans un effort pour s’opposer à la gravité, pousse les masses stellaires vers la même distribution de masse. Ces simulations sont les premières à suivre la formation d’étoiles individuelles dans un nuage géant qui s’effondre, tout en capturant également comment ces étoiles nouvellement formées interagissent avec leur environnement en émettant de la lumière et en perdant de la masse via des jets et des vents – un phénomène appelé « stellar retour d’information. »

    Le projet STARFORGE est une initiative multi-institutionnelle, codirigée par Guszejnov et Michael Grudić des observatoires Carnegie. Grudić était boursier postdoctoral CIERA à Northwestern lorsque le projet a été lancé. Les simulations STARFORGE sont les premières à modéliser simultanément la formation, l’évolution et la dynamique des étoiles tout en tenant compte de la rétroaction stellaire, y compris les jets, le rayonnement, le vent et l’activité des supernovae à proximité. Alors que d’autres simulations ont incorporé des types individuels de rétroaction stellaire, STARFORGE les rassemble tous pour simuler comment ces divers processus interagissent pour affecter la formation des étoiles.

    La collaboration est financée par la National Science Foundation, la NASA, la Research Corporation for Science Advancement, l’Extreme Science and Engineering Discovery Environment, le CIERA et l’Institut de théorie et de calcul de Harvard. La recherche a été achevée sur deux superordinateurs au Texas Advanced Computing Center de l’UT Austin.

    Vidéo: https://youtu.be/XaZp0prvWGU

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