Plus de la moitié de toutes les étoiles naissent en tant que membres de systèmes stellaires multiples, mais le processus de formation de plusieurs étoiles n’est pas bien compris. Par conséquent, percer le mystère du mécanisme de formation d’étoiles multiples est très important pour établir une théorie complète de la formation d’étoiles. À ce jour, plusieurs scénarios de formation d’étoiles multiples ont été proposés, et les discussions sur les scénarios de formation doivent encore converger.
Impression artistique de trois protoétoiles IRAS 04239+2436. Source : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Pour comprendre le processus de formation de plusieurs étoiles, il est nécessaire d’utiliser des instruments à haute résolution et haute sensibilité comme ALMA pour observer directement le moment où naissent plusieurs protoétoiles (étoiles en cours de formation). De plus, des observations récentes de protoétoiles font souvent état de structures gazeuses appelées « streamlines », qui sont des flux de gaz vers la protoétoile.
L'observation de ces lignes de courant est importante car elles montrent comment la protoétoile a absorbé le gaz et s'est développée, mais on ne sait pas encore clairement comment ces lignes de courant se sont formées. Étant donné que les flux de gaz autour des protoétoiles dans les systèmes multi-étoiles devraient avoir des structures complexes, les observations détaillées utilisant la haute résolution d'ALMA constituent un outil puissant pour étudier les origines des flux de gaz.
Distribution de gaz autour de la protoétoile ternaire IRAS04239+2436, (à gauche) émission de SO observée par ALMA, (à droite) reproduction par simulation numérique par le supercalculateur ATERUI. Les protoétoiles A et B, représentées en bleu à gauche, représentent les ondes radio émises par la poussière entourant la protoétoile. Dans Protostar A, on pense qu’il existe deux protoétoiles non résolues. Dans l'image de droite, les positions des trois protoétoiles sont indiquées par des croix bleues. Source : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J.-E. Leeétal. Leeétal.
Observations et découvertes détaillées
L’équipe a utilisé ALMA pour observer les ondes radio émises par les molécules de monoxyde de soufre (SO) autour du jeune système multi-étoiles IRAS04239+2436. IRAS04239+2436 est un « système de protoétoiles ternaires », un système composé de trois protoétoiles, à environ 460 années-lumière de nous. L’équipe de recherche espère détecter des molécules de SO dans la région où se produit l’onde de choc et observer de violents mouvements de gaz autour de la protoétoile. À la suite de l’observation, ils ont détecté des molécules de SO environ trois fois supérieures à la protoétoile et ont découvert que la distribution des molécules de SO formait un grand bras en spirale s’étendant jusqu’à 400 unités astronomiques. De plus, ils ont réussi à obtenir la vitesse du gaz contenant des molécules de SO en se basant sur le décalage de fréquence des ondes radio provoqué par l’effet Doppler.
Sur la base de l'analyse du mouvement des gaz, ils ont découvert que les bras spiraux tracés par les molécules de SO étaient en effet des lignes aérodynamiques circulant vers la triple protoétoile. "La caractéristique la plus importante de nos images ALMA est la détection de grandes structures multi-bras bien définies dans le rayonnement SO", a déclaré Li, expliquant l'importance de la découverte. "Ma première impression a été que ces structures dansaient ensemble, tournant autour du système protostellaire central, mais nous avons découvert plus tard que les bras spiraux sont des canaux de matière qui alimentent les petites étoiles."
Le supercalculateur "ATERUI" simule la formation de plusieurs étoiles. Le film montre que plusieurs protoétoiles naissent dans des nuages de gaz filamenteux turbulents, qui excitent les bras spiraux et perturbent le gaz environnant lors de leur mouvement. Source : Tomaki Matsumoto, Takaaki Takeda, projet 4D2U, Observatoire astronomique national du Japon
Signification et analyse comparative
Pour étudier plus en détail le mouvement du gaz, l’équipe de recherche a comparé la vitesse du gaz dérivée de cette observation avec la vitesse dérivée de simulations numériques. Ces simulations ont été réalisées à l'aide des supercalculateurs dédiés à l'astronomie "ATERUI" et "ATERUIII" de l'Observatoire astronomique national du Centre japonais d'astrophysique computationnelle. Dans la simulation, trois protoétoiles se sont formées dans le nuage de gaz et le gaz perturbé autour des trois protoétoiles a excité des ondes de choc sous la forme de bras spiraux.
"Nous avons constaté que les bras spiraux présentent des flux de gaz vers les trois protoétoiles ; ce sont les lignes de courant qui alimentent les protoétoiles en gaz", a déclaré Matsumoto, qui a dirigé les simulations numériques de l'étude. "Les vitesses simulées des gaz sont en bon accord avec les observations, montrant que les simulations numériques peuvent effectivement expliquer l'origine des lignes de courant."
Schéma hybride pour la formation multi-étoiles
En comparant les données d’observation et les résultats de simulation numérique, l’équipe a étudié la naissance de cette triple protoétoile. Jusqu'à présent, il existe deux options pour la formation de plusieurs étoiles. Le premier est le « scénario de fragmentation turbulente », dans lequel un nuage de gaz turbulent se fragmente en condensats de gaz, et chaque condensat évolue en protoétoile. Le second est le « scénario de fragmentation du disque », dans lequel le disque de gaz autour d’une protoétoile se fragmente pour former une nouvelle protoétoile, créant ainsi plusieurs étoiles.
Le triplement des protoétoiles observé ici peut s'expliquer par un scénario hybride dans lequel le processus de formation d'étoiles commence par un nuage de protogaz turbulent, similaire au scénario de fragmentation turbulente, puis de nouvelles graines de protoétoiles sont produites dans le disque, similaire au scénario de fragmentation du disque, et la turbulence du gaz environnant provoque une large extension des bras spiraux. Les observations sont très similaires aux simulations, ce qui suggère que la protoétoile triple observée est le premier objet confirmé avoir formé plusieurs étoiles grâce à un schéma de mélange.
"C'est la première fois que les origines des protoétoiles et des météores sont entièrement élucidées simultanément. La combinaison des observations et des simulations d'ALMA est un outil puissant pour révéler les secrets de la formation des étoiles", a déclaré Matsumoto.
Implications pour la formation des planètes et la recherche future
Li pense que l'étude met également en lumière les difficultés de formation des planètes dans les systèmes multi-étoiles. Elle a déclaré : « Les planètes naissent dans le disque de gaz et de poussière qui s'est formé autour de la protoétoile. Dans ce système à trois protoétoiles, la protoétoile est située dans une petite région, le disque autour de la protoétoile est petit et la protoétoile en orbite autour de la protoétoile détache le disque des autres protoétoiles. Les planètes se forment dans un environnement calme à long terme. Par conséquent, il est peu probable qu'IRAS04239+2436 soit un environnement propice à la formation de planètes.
Matsumoto discute des implications de cette recherche pour notre compréhension de la formation d'étoiles multiples. "L'observation réelle d'un système multi-étoiles en formation à travers un schéma hybride contribuera grandement à résoudre le débat sur les schémas de formation multi-étoiles. De plus, cette étude confirme non seulement l'existence de lignes de courant récemment notées, mais explique également comment elles se forment, marquant une avancée majeure."
Jeong-EunLee et d'autres ont présenté cette recherche dans l'article « Triple spiralarms of triple spiralarms of triple protostar system imagé par des lignes moléculaires » publié dans l'Astrophysical Journal.