Vers une vision unifiée de la formation stellaire dans les galaxies : Origine de la structure filamentaire du milieu interstellaire, des cœurs pré-stellaires et des amas protostellaires vus avec Herschel – STARFICH

Le projet combine efforts observationnels et théoriques. Sur le plan observationnel, nous avons exploité de manière systématique les grandes cartes sub-millimétriques obtenues en émission continuum des poussières avec Herschel et les avons complétées par des études à plus haute résolution angulaire avec le télescope APEX (« Atacama Pathfinder Experiment ») au Chili et des observations de raies millimétriques traçant le gaz moléculaire dense avec les télescopes de l’Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), le télescope Mopra en Australie et le télescope de 45m de Nobeyama au Japon. Les propriétés observées dans les nuages interstellaires proches ont été comparées aux résultats plus globaux obtenus dans les galaxies du groupe local. Sur le plan théorique, nous avons utilisé le code numérique à grille adaptative RAMSES développé au laboratoire CEA/Irfu (AIM « Astrophysique – Instrumentation – Modélisation ») à Saclay pour obtenir des simulations magnéto-hydrodynamiques de la croissance des structures denses au sein des nuages moléculaires froids dans lesquels se forment les étoiles. Ces simulations numériques sont confrontées aux observations.

Nous avons montré que la majorité du gaz moléculaire dense des nuages interstellaires galactiques est sous forme de filaments. Nous avons mis en évidence un seuil en densité au-dessus duquel les filaments interstellaires se fragmentent en condensations pré-stellaires et forment des étoiles. Nous avons aussi montré que l’efficacité du processus de formation stellaire dans le gaz moléculaire dense des galaxies est très similaire à l’efficacité avec laquelle les filaments denses des nuages galactiques proches convertissent leur gaz en étoiles. Ces résultats soulignent le caractère quasi-universel du mécanisme de formation stellaire et le rôle clé joué par la structure filamentaire du gaz.

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Le projet STARFICH a conduit à 27 publications à comité de lecture impliquant les deux partenaires et plus de 30 communications dans des conférences internationales dont 12 présentations invitées. Plusieurs autres publications à comité de lecture sont en préparation. Le projet a aussi stimulé l’organisation de trois conférences internationales dont un Symposium de l’Union Astronomique Internationale intitulé « From Interstellar Clouds to Star-Forming Galaxies : Universal Processes ? » (IAUS 315) en 2015.

Comprendre le processus de formation stellaire depuis les grandes jusqu’aux petites échelles est l’un des principaux problèmes non résolus de l’astrophysique moderne qui est non seulement important en lui-même mais aussi en raison d’implications fondamentales pour l’évolution des galaxies et la formation planétaire. Des résultats observationnels récents obtenus notamment avec Spitzer et Herschel suggèrent qu’il est peut-être possible de comprendre à la fois le taux de formation stellaire global et la distribution des masses stellaires (« IMF ») dans les galaxies en étudiant le processus de croissance de structures denses (nuages, filaments et cœurs) dans le milieu interstellaire de notre propre Galaxie. Il apparaît en effet que le taux de formation stellaire est directement proportionnel à la masse de gaz dense au-dessus d’un certain seuil de densité de surface au-delà duquel les filaments interstellaires sont gravitationnellement instables, et ce à la fois dans les nuages proches galactiques et dans les galaxies externes. De plus la fonction de masse des cœurs pré-stellaires (« CMF ») observée dans les nuages moléculaires proches ressemble fortement à la fonction des masse initiale des étoiles. D’une façon générale, les premiers résultats des grands relevés Herschel nous conduisent à favoriser un scénario dans lequel les filaments interstellaires et les cœurs pré-stellaires représentent deux étapes fondamentales du processus de formation stellaire : dans un premier temps, la turbulence MHD à grande échelle génère des structures filamentaires dans le milieu interstellaire ; dans un deuxième temps, les filaments les plus denses se fragmentent en cœurs pré-stellaires (qui s’effondrent eux-mêmes plus tard en proto-étoiles) par instabilité gravitationnelle.
Les buts du projet STARFICH sont 1) de confirmer/préciser ce scénario en grande partie issu d’observations continuum avec Herschel, en utilisant des contraintes spectroscopiques additionnelles sur la cinématique des filaments identifiés dans les images d’Herschel, 2) de fournir une base théorique solide grâce à des comparaisons détaillées avec des simulations numériques MHD de formation et évolution des nuages moléculaires et 3) d’étudier jusqu’à quel point le taux de formation d’étoiles est bien régi par une loi universelle valide depuis l’échelle des filaments interstellaires jusqu’aux échelles galactiques. Notre approche est novatrice en ce que 1) nous allons combiner des efforts théoriques et observationnels au sein d’une équipe ayant un large spectre de compétences et 2) nous allons suivre le problème de la formation stellaire depuis l’échelle des complexes moléculaires géants jusqu’à l’échelle des cœurs pré-stellaires en effondrement, permettant de relier la physique « macroscopique » et la physique « microscopique » de la formation des étoiles. Sur le plan observationnel, nous exploiterons les grands cartes sub-millimétriques obtenues avec Herschel et nous prévoyons des observations spectroscopiques complémentaires avec l’IRAM, APEX et le GBT. Sur le plan théorique, un effort particulier sera fait pour relier la formation et l’évolution des cœurs pré-stellaires dans les filaments à la formation des nuages moléculaires à plus grandes échelle à partir du gaz atomique des galaxies. Pour cela nous utiliserons le code MHD à grille adaptative RAMSES développé au laboratoire CEA/Irfu (AIM « Astrophysique – Instrumentation – Modélisation ») à Saclay.