Technion (Israël) : mesure inédite des particules invisibles qui contrôlent la naissance des étoiles
Une équipe du Technion a réalisé la première mesure des rayons cosmiques au cœur d’une nébuleuse galactique en formation, située à 400 années-lumière de la Terre. Cette équipe de recherche internationale, dirigée par des scientifiques de la Faculté de physique du Technion, a présenté une mesure inédite des rayons cosmiques au cœur de la nébuleuse galactique Barnard 68. Cette mesure, basée sur des observations du télescope spatial James Webb, permettra aux chercheurs de cartographier les propriétés des rayons cosmiques dans l’espace et d’éclairer le processus de formation des étoiles dans la galaxie.
Que sont les rayons cosmiques ?
Malgré leur nom, les rayons cosmiques ne sont pas liés au rayonnement électromagnétique (la lumière). Ce sont en réalité des particules de matière – protons, électrons et noyaux atomiques – qui remplissent l’espace galactique et se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière. Les rayons cosmiques ont un impact déterminant sur le processus de formation des étoiles. Des étoiles comme notre Soleil se forment par l’effondrement gravitationnel de nuages de gaz et de poussière au sein de la galaxie. Grâce à leur haute énergie, les particules de rayons cosmiques peuvent pénétrer profondément dans une nébuleuse et chauffer son gaz, retardant ainsi son effondrement et la formation d’une étoile.
Outre ce chauffage, l’ionisation induite par les rayons cosmiques joue un rôle clé dans la chimie des nébuleuses et participe à la création de molécules telles que l’eau, l’ammoniac, le méthanol, et bien d’autres. Les rayons cosmiques ont été découverts il y a plus d’un siècle grâce à la célèbre expérience du ballon de Victor Hess. Les mesures effectuées depuis la Station spatiale internationale et les sondes Voyager 1 et 2 nous permettent d’étudier les rayons cosmiques à proximité du Système solaire. Cependant, la question des propriétés des rayons cosmiques à travers la galaxie – et en particulier au sein des nébuleuses en formation d’étoiles – demeure ouverte et est considérée comme l’une des questions non résolues les plus importantes de l’astrophysique moderne.
Découverte
Cette année, une équipe internationale dirigée par le Dr Shmuel Bialy du Technion a réalisé une percée longtemps attendue : la mesure directe de l’activité des rayons cosmiques à l’intérieur d’une nébuleuse galactique. « Lorsque les rayons cosmiques pénètrent dans une nébuleuse » explique le Dr Bialy, « ils font vibrer les molécules d’hydrogène, émettant un rayonnement infrarouge à une fréquence caractéristique d’environ 100 térahertz. Ce rayonnement infrarouge constitue une signature unique de l’interaction entre les rayons cosmiques et l’hydrogène dans la nébuleuse.» L’équipe de recherche a conçu et mené une observation à l’aide du télescope spatial James Webb (JWST) afin de mesurer ce rayonnement provenant de Barnard 68, une nébuleuse froide et dense (dont les températures avoisinent les 10 à 20 kelvins, à peine supérieures au zéro absolu) située à 400 années-lumière de la Terre, dans la constellation d’Ophiuchus.
La nébuleuse a un diamètre d’environ un tiers d’année-lumière et une masse deux fois supérieure à celle du Soleil. D’après les prévisions, elle s’effondrera dans environ 200 000 ans, donnant naissance à une nouvelle étoile. « Les signaux détectés par le télescope spatial correspondent parfaitement aux prédictions du modèle théorique que nous avons développé », a déclaré Amit Chemke, étudiant en master au sein du groupe du Dr Bialy et co-auteur de l’étude. « Nous avons également examiné d’autres modèles, mais aucun ne correspond aux signaux observés. Notre mesure apporte la preuve irréfutable que nous observons des rayons cosmiques.» « Ce sont les premiers photons jamais détectés provenant de H₂ excité par des rayons cosmiques », a déclaré David Neufeld, professeur de physique et d’astronomie à l’université Johns Hopkins, qui a également participé à cette étude. « Le JWST a ouvert une perspective totalement inédite sur l’astrophysique des rayons cosmiques.» Et après ? « Il y a des années, lorsque j’ai proposé cette approche pour la première fois, de nombreux experts doutaient de notre capacité à détecter des signaux aussi faibles », a déclaré le Dr Bialy.
« Les capacités sans précédent du télescope spatial James Webb ont tout changé. La NASA a alloué 50 heures d’observation supplémentaires afin d’étendre notre cartographie des rayons cosmiques à différents environnements galactiques. Les nébuleuses peuvent désormais servir d’immenses détecteurs de particules naturels – de la taille de dizaines de milliers de systèmes solaires – ouvrant la voie à la première étude systématique de la propagation des rayons cosmiques à travers les galaxies et de leur rôle dans la formation des étoiles. » Les recherches de l’équipe israélienne ont bénéficié du soutien du Technion, de la Fondation israélienne pour la science et de la Fondation germano-israélienne pour la recherche et le développement scientifiques.
Traduit et adapté par Esther Amar pour Israël Science Info
Les résultats ont été publiés dans Nature Astronomy, accompagnés d’une analyse dans l’Astrophysical Journal, en collaboration avec l’Université Johns Hopkins.
