Une mesure directe dans une célèbre galaxie starburst

Pour la première fois, des astronomes ont mesuré directement la vitesse du gaz surchauffé s’écoulant hors de la galaxie starburst M82, à l’aide de l’instrument Resolve à bord du vaisseau spatial XRISM. Ce résultat offre aux chercheurs une nouvelle manière de tester des idées de longue date sur la façon dont la formation stellaire intense et l’activité des supernovas peuvent générer de puissants vents qui façonnent des galaxies entières.

Selon la NASA, la matière se déplace à plus de 2 millions de miles par heure, soit plus de 3 millions de kilomètres par heure. Les chercheurs indiquent que cette vitesse est suffisante pour servir de moteur principal à l’écoulement plus froid et à grande échelle déjà connu, qui s’étend sur des dizaines de milliers d’années-lumière depuis le cœur de la galaxie. Les résultats ont été publiés le 25 mars dans Nature.

M82, souvent appelée la galaxie du Cigare, se situe à environ 12 millions d’années-lumière dans la Grande Ourse. Elle est classée comme galaxie starburst parce qu’elle forme des étoiles à un rythme inhabituellement élevé, environ 10 fois plus rapidement que la Voie lactée pour une galaxie de sa taille. Cette activité intense en a fait l’un des meilleurs laboratoires pour comprendre comment les étoiles et les explosions stellaires remodèlent le gaz à l’intérieur des galaxies et renvoient de la matière dans l’espace intergalactique.

Pourquoi ce résultat compte

Depuis des années, les astronomes travaillent avec un modèle classique des galaxies starburst : l’énergie issue de la formation stellaire et des ondes de choc des supernovas chauffe le gaz près du centre galactique, et ce gaz chaud déclenche un écoulement qui aide à propulser un vent galactique beaucoup plus vaste. Jusqu’à présent, cependant, ils ne disposaient pas des mesures directes de vitesse nécessaires pour tester cette idée avec confiance dans M82.

XRISM change la donne. La NASA a indiqué que les nouvelles observations montrent que le gaz chaud se déplace encore plus vite que ne le prédisaient certains modèles. Cela rend la découverte importante bien au-delà d’une seule galaxie proche. Les vents galactiques influencent la croissance des galaxies, la durée pendant laquelle elles continuent à former des étoiles, la manière dont elles répartissent les éléments lourds et leurs interactions avec leur environnement. Si les astronomes peuvent mesurer plus précisément la vitesse et la composition de ces vents, ils comprendront mieux les processus de rétroaction qui régulent l’évolution des galaxies.

Erin Boettcher, de l’Université du Maryland à College Park et du Goddard Space Flight Center de la NASA, qui a dirigé l’article, a déclaré que la mission avait offert la première occasion d’obtenir les mesures de vitesse nécessaires. Dans le résumé de la NASA, le résultat soutient l’idée que la composante chaude de l’écoulement possède assez d’énergie pour pousser la matière jusqu’aux confins extérieurs de la galaxie.

La puissance de l’instrument Resolve de XRISM

La mesure dépendait de la spectroscopie X à haute résolution de XRISM. La mission, menée par la JAXA en collaboration avec la NASA et avec la contribution de l’ESA, est conçue pour étudier les phénomènes chauds et énergétiques à travers l’Univers. La NASA et la JAXA ont également co-développé l’instrument Resolve utilisé dans ce travail.

Cette capacité est importante parce que le gaz le plus chaud dans des systèmes comme M82 émet en rayons X. En examinant de subtils décalages dans ces émissions, les astronomes peuvent calculer la vitesse à laquelle le gaz se déplace. Dans ce cas, Resolve a permis aux chercheurs de mesurer une composante du vent galactique qu’il était difficile de quantifier directement auparavant.

Le résultat relie l’environnement central violent de M82 à sa structure visible beaucoup plus vaste. La galaxie est déjà connue pour un vent froid de gaz et de poussière qui s’étend jusqu’à 40 000 années-lumière du noyau. Les nouvelles données de XRISM suggèrent qu’un flux beaucoup plus chaud et plus rapide provenant du centre est le principal moteur de ce phénomène plus large.

Une galaxie sous pression extrême

Le centre de M82 est un lieu exceptionnellement actif. La formation stellaire rapide signifie que davantage d’étoiles massives naissent, et les étoiles massives vivent vite et meurent de façon explosive. Ces supernovas, ainsi que la turbulence et le rayonnement liés à la naissance intense d’étoiles, injectent d’énormes quantités d’énergie dans l’environnement voisin. Il en résulte un chaudron de gaz brûlant capable de projeter de la matière vers l’extérieur à une vitesse extraordinaire.

Ce processus est l’une des formes les plus importantes de rétroaction en astrophysique. Si les galaxies formaient des étoiles sans retenue, elles consommeraient leur gaz d’une manière différente de celle observée dans la réalité. Les vents entraînés par les étoiles, les trous noirs, ou les deux, aident à réguler le cycle en chauffant, en retirant et en redistribuant le gaz. M82 offre une vue rapprochée de l’un de ces moteurs en action.

Le nouveau résultat montre aussi pourquoi l’astronomie multi-observatoires est importante. La NASA a accompagné l’annonce de XRISM de références à des images de Chandra, Hubble, Spitzer et Webb, qui révèlent ensemble différentes composantes de M82, des régions chaudes émettant des rayons X à la poussière plus froide et à la lumière des étoiles. XRISM ajoute à ce tableau quelque chose de particulièrement précieux : des informations directes sur la vitesse du gaz le plus chaud.

Ce que les chercheurs peuvent apprendre ensuite

L’article du 25 mars constitue une étape importante, mais aussi un début. Une fois que les astronomes pourront mesurer la vitesse des vents chauds dans une galaxie starburst bien étudiée, ils pourront comparer ces observations aux modèles d’évolution des galaxies et à d’autres galaxies présentant des taux de formation stellaire et des structures différents. Cela pourrait aider à préciser quand les vents chauds s’échappent, quand ils stagnent et avec quelle efficacité ils emportent masse et énergie loin des centres galactiques.

Cela pourrait aussi améliorer la compréhension de la façon dont les éléments chimiques se mélangent dans les galaxies et sont expulsés vers l’espace environnant. Les vents alimentés par les supernovas ne se contentent pas de retirer de la matière. Ils transportent les produits de l’évolution stellaire, aidant à ensemencer des environnements cosmiques plus vastes avec des éléments plus lourds fabriqués à l’intérieur des étoiles.

Pour l’instant, la conclusion centrale est simple. Les astronomes ont enfin mesuré la vitesse du gaz surchauffé qui jaillit du cœur de M82, et les chiffres suggèrent que l’écoulement est tout à fait capable de générer le célèbre vent qui s’étend bien au-delà de la galaxie elle-même. Cela transforme une image de longue date en résultat mesuré, et montre comment XRISM peut ouvrir une nouvelle fenêtre sur l’Univers chaud et dynamique.

Cet article s’appuie sur un reportage de science.nasa.gov. Lire l’article original.