Filament d’hydrogène long de 3 900 années-lumière

Il y a environ 13,8 milliards d’années, notre Univers est né d’une explosion massive qui a donné naissance aux premières particules subatomiques et aux lois de la physique telles que nous les connaissons. Environ 370 000 ans plus tard, l’hydrogène s’était formé, la pierre angulaire des étoiles, qui fusionnent l’hydrogène et l’hélium à l’intérieur pour créer tous les éléments les plus lourds. Bien que l’hydrogène reste l’élément le plus répandu dans l’univers, il peut être difficile de détecter des nuages ​​individuels d’hydrogène gazeux dans le milieu interstellaire (ISM).

Cela rend difficile la recherche des premières phases de la formation des étoiles, qui offriraient des indices sur l’évolution des galaxies et du cosmos. Une équipe internationale dirigée par des astronomes du Institut d’astronomie Max Planck (MPIA) a récemment remarqué un filament massif d’hydrogène gazeux atomique dans notre galaxie. Cette structure, nommée « Maggie », est située à environ 55 000 années-lumière (de l’autre côté de la voie Lactée) et est l’une des structures les plus longues jamais observées dans notre galaxie.

L’étude qui décrit leurs découvertes, parue récemment dans la revue Astronomie & Astrophysique, était dirigé par Jonas Syed, un Ph.D. étudiant à la MPIA. Il a été rejoint par des chercheurs de l’Université de Vienne, du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian (CFA), la Institut Max Planck de radioastronomie (MPIFR), l’Université de Calgary, l’Universität Heidelberg, la Centre d’astrophysique et de science planétairela Argelander-Institut d’Astronomiel’Institut indien des sciences, et Nasa‘s Jet Propulsion Laboratory (JPL).

La recherche est basée sur des données obtenues par le Enquête HI/OH/Ligne de recombinaison de la Voie lactée (THOR), un programme d’observation qui s’appuie sur Très grand réseau de Karl G. Jansky (VLA) au Nouveau-Mexique. En utilisant les paraboles radio à ondes centimétriques du VLA, ce projet étudie la formation des nuages ​​moléculaires, la conversion de l’hydrogène atomique en hydrogène moléculaire, le champ magnétique de la galaxie et d’autres questions liées à l’ISM et à la formation d’étoiles.

Le but ultime est de déterminer comment les deux isotopes d’hydrogène les plus courants convergent pour créer des nuages ​​denses qui s’élèvent vers de nouvelles étoiles. Les isotopes comprennent l’hydrogène atomique (H), composé d’un proton, d’un électron et d’aucun neutron, et l’hydrogène moléculaire (H₂) est composé de deux atomes d’hydrogène liés par une liaison covalente. Seul ce dernier se condense en nuages ​​relativement compacts qui vont développer des régions givrées où de nouvelles étoiles finissent par émerger.

Cette image montre une section de la vue latérale de la Voie lactée telle que mesurée par le satellite Gaia de l’ESA. La bande sombre est constituée de gaz et de poussière, ce qui atténue la lumière des étoiles incrustées. Le centre galactique de la Voie lactée est indiqué sur la droite de l’image, brillant sous la zone sombre. La case à gauche du milieu marque l’emplacement du filament « Maggie ». Il montre la distribution de l’hydrogène atomique. Les couleurs indiquent différentes vitesses du gaz. Crédit : ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO & T. Müller/J. Syed/MPIA

Le processus de transition de l’hydrogène atomique vers l’hydrogène moléculaire est encore largement inconnu, ce qui a fait de ce filament extraordinairement long une découverte particulièrement excitante. Alors que les plus grands nuages ​​​​de gaz moléculaire connus mesurent généralement environ 800 années-lumière de longueur, Maggie mesure 3 900 années-lumière de long et 130 années-lumière de large. Comme Syed l’a expliqué dans un récent MPIA communiqué de presse:

« L’emplacement de ce filament a contribué à ce succès. On ne sait pas encore exactement comment il en est arrivé là. Mais le filament s’étend à environ 1600 années-lumière sous le plan de la Voie lactée. Les observations nous ont également permis de déterminer la vitesse de l’hydrogène gazeux. Cela nous a permis de montrer que les vitesses le long du filament diffèrent à peine.”

L’analyse de l’équipe a montré que la matière dans le filament avait une vitesse moyenne de 54 km/s^-1, qu’ils ont déterminé principalement en le mesurant par rapport à la rotation du disque de la Voie lactée. Cela signifiait que le rayonnement à une longueur d’onde de 21 cm (alias. le « ligne hydrogène“) était visible sur le fond cosmique, rendant la structure discernable. « Les observations nous ont également permis de déterminer la vitesse de l’hydrogène gazeux », a déclaré Henrik Beuther, directeur de THOR et co-auteur de l’étude. « Cela nous a permis de montrer que les vitesses le long du filament diffèrent à peine. »

Cette image en fausses couleurs montre la distribution de l’hydrogène atomique mesurée à une longueur d’onde de 21 cm. La ligne pointillée rouge trace le filament « Maggie ». Crédit : J. Syed/MPIA

À partir de là, les chercheurs ont découvert que Maggie est une structure cohérente. Ces découvertes ont confirmé les observations faites un an auparavant par Juan D. Soler, astrophysicien à l’Université de Vienne et co-auteur de l’article. Lorsqu’il a observé le filament, il lui a donné le nom du plus long fleuve de sa Colombie natale : le Río Magdalena (anglicisé : Margaret, ou « Maggie »). Alors que Maggie était reconnaissable dans l’évaluation antérieure des données THOR par Soler, seule l’étude actuelle prouve sans aucun doute qu’il s’agit d’une structure cohérente.

Sur la base de données publiées précédemment, l’équipe a également estimé que Maggie contient 8% d’hydrogène moléculaire par fraction de masse. En y regardant de plus près, l’équipe a remarqué que le gaz converge à divers points le long du filament, ce qui les a amenés à conclure que l’hydrogène gazeux s’accumule dans de gros nuages ​​à ces endroits. Ils spéculent en outre que le gaz atomique se condensera progressivement en une forme moléculaire dans ces environnements.

« Cependant, de nombreuses questions restent sans réponse », a ajouté Syed. « Des données supplémentaires, qui, nous l’espérons, nous donneront plus d’indices sur la fraction de gaz moléculaire, attendent déjà d’être analysées. » Heureusement, plusieurs observatoires spatiaux et terrestres seront bientôt opérationnels, des télescopes qui seront équipés pour étudier ces filaments dans le futur. Ceux-ci incluent le Télescope spatial James Webb (JWST) et des sondages radio comme le Réseau de kilomètres carrés (SKA), qui nous permettra de visualiser la toute première période de l’Univers (« Aube cosmique”) et les premières étoiles de notre Univers.

Publié à l’origine sur Univers aujourd’hui.

Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Structure massive de filaments – 3900 années-lumière de long – Découverte dans la Voie lactée.

Référence : « Le filament « Maggie » : Propriétés physiques d’un nuage atomique géant » par J. Syed, J. D. Soler, H. Beuther, Y. Wang, S. Suri, J. D. Henshaw, M. Riener, S. Bialy, S. Rezaei Kh., JM Stil, PF Goldsmith, MR Rugel, SCO Glover, RS Klessen, J. Kerp, JS Urquhart, J. Ott, N. Roy, N. Schneider, RJ Smith, SN Longmore et H. Linz, 20 décembre 2021, Astronomie & Astrophysique.
DOI : 10.1051/0004-6361/202141265