dimanche 23 août 2020

Du gaz moléculaire froid détecté dans le vent galactique


Le centre de notre galaxie est le siège d'un intense vent de gaz interstellaire. Des nouvelles observations y révèlent la présence de coeurs de gaz moléculaire froids à l'intérieur de nuages d'hydrogène atomique chauds, en train d'être projetés depuis le centre galactique. L'origine de ces globules de gaz entraînés par le vent galactique est mal comprise. L'étude est parue dans Nature cette semaine.


Des vents chauds et intenses sont communs dans les régions centrales des galaxies à fort taux de formation stellaire ou bien de celles qui arborent un trou noir supermassif en cours d'accrétion de matière. Dans les galaxies "normales", relativement calmes, les vents galactiques sont beaucoup moins énergétiques et de ce fait beaucoup plus difficiles à observer et étudier. Notre propre galaxie est naturellement la meilleure candidate pour étudier ce type de vent galactique émanant de son centre, de par sa proximité. 
En mars 2019, une équipe d'astrophysiciens avait publié la découverte d'une zone de vent galactique très chaud qui s'étendait de part et d'autre du centre de notre Galaxie sur quelques centaines de parsecs, deux régions côniques. Cette matière ionisée se déplace à une vitesse supérieure à 1000 km/s et a une température de l'ordre de 10 000 à 100 000 K, observable en rayons X. 
Mais cet intense vent de matière très chaude contient aussi plusieurs centaines de petites régions, des petites bulles se déplaçant moins vite contenant du gaz moins chaud (entre 1000 et 10 000 K) sous la forme d'hydrogène neutre. Enrico Di Teodoro (Johns Hopkins University) et son équipe se sont intéressés à la structure interne de ces régions de gaz plus froid. 
Ils ont observé non pas dans le domaine des rayons X mas en ondes radio avec le radiotélescope chilien APEX (Atacama Pathfinder Experiment). Ils ont observé la région centrale de la galaxie dans un rayon d'environ 5000 années-lumière avec la raie d'émission millimétrique induite par la rotation de la molécule du monoxyde de carbone (CO), une molécule qui est un très bon traceur pour l'hydrogène moléculaire. Lorsqu'il y a du CO, il y a de l'H2.
Ils ont découvert que les bulles de gaz neutre sous forme atomique pouvaient contenir, pour plusieurs d'entre elles en tous cas, des coeurs denses d'hydrogène sous forme moléculaire (H2) et donc beaucoup plus froids (entre 100 et 1000 K). Il en résulte que la masse totale de gaz dense dans le vent galactique émanant du centre galactique est substantiellement plus importante que ce que l'on pensait.
Certes, il existe bien un énorme réservoir de gaz moléculaire dans la région centrale de la Galaxie, ce qu'on appelle la CMZ (Central Molecular Zone), avec ses dizaines de millions de masses solaires de gaz moléculaire. Des portions de ce gaz auraient pu être arrachées et entraînées par le vent galactique chaud depuis sa base. Mais il y a un problème, comme le notent les chercheurs : les modèles théoriques prédisent que de tels globules de gaz moléculaire, qui se déplacent à une vitesse relativement élevée, 360 km/s, devraient être détruits et évaporés sur une échelle de temps plus courte que leur temps de trajet jusqu'à leur position actuelle... La dislocation de ces bulles de gaz "froid" devrait en effet être provoquée par deux processus combinés : à la fois par l'évaporation produite par échauffement (via la conduction thermique avec le gaz chaud voisin) et par les instabilités dynamiques induites quand du gaz à faible densité vient rencontrer un nuage à haute densité avec une vitesse supersonique.
Comment alors les globules de gaz moléculaire peuvent-ils encore exister au coeur des bulles de gaz chaud là où ils sont observés par Di Teodoro et ses collaborateurs ?

Les chercheurs estiment que ni l'activité actuelle de Sagittarius A* ni le taux de formation stellaire au centre galactique ne peuvent être une source pour ces globules de gaz... Mais il existe une piste possible et intéressante : à la faveur de processus complexes impliquant dynamique des gaz, transferts radiatifs, chimie, thermodynamique et effets magnétiques, un nuage de gaz froid pourrait grossir, à partir du vent chaud lorsque les gradients de pression induits par les instabilités dynamiques augmentent la densité jusqu'à produire un refroidissement radiatif efficace, augmentant à son tour la densité... Cette hypothèse nécessite cependant d'être testée, que ce soit avec des simulations magnétohydrodynamiques ou bien avec de nouvelles observations.

L'autre grosse question soulevée par les astrophysiciens concerne la masse de ce gaz moléculaire qui est entraîné par le vent galactique. Di Teodoro et ses collaborateurs montrent qu'elle est très importante : dans les deux globules qu'ils observent, il y a au moins autant de gaz moléculaire que de gaz atomique (et peut-être plus car le ratio H2/CO est mal déterminé dans un environnement comme celui observé). Les chercheurs indiquent que si la fraction de gaz moléculaire est la même dans tous les nuages de gaz chaud s'échappant du centre galactique, cela signifierait que la perte de masse de la CMZ par cette voie (estimée à une fraction de masse solaire par an) serait plus importante que par la voie de la formation de nouvelles étoiles. Cela peut paraître très étonnant quand on imagine (dans la vision standard) que le vent galactique est produit par des supernovas résultant de la formation récente d'étoiles massives à courte durée de vie. Comment plus de masse pourrait se retrouver dans le vent galactique qu'il n'en va dans la formation stellaire (sachant que seule une petite fraction des étoiles produites sont suffisamment massives pour produire des supernovas) ?
Cette contradiction laisserait donc penser que c'est plutôt l'activité du trou noir supermassif Sgr A* qui serait liée à la présence de ces globules de gaz moléculaire dans le vent galactique. Des sursauts d'activité fréquents seraient requis, pouvant être associés à des destructions d'étoiles ou à des événements d'accrétion de gaz un peu violents, à même de dépouiller petit à petit la zone moléculaire centrale de la galaxie... 

On le voit, cette observation soulève de nombreuses questions. Des études complémentaires vont donc être indispensables pour creuser d'avantage ce petit mystère du vent galactique dans la région centrale de notre galaxie. La dynamique et la distribution des globules de gaz devra être étudiée de plus près encore, notamment pour déterminer quelle proportion de ces globules de gaz atomique contient effectivement des coeurs de gaz plus froid sous forme moléculaire. A terme, c'est toute l'histoire et l'origine du vent galactique, mises sur le devant de la scène il y a 10 ans par la découverte des "Bulles de Fermi", s'étendant sur plus de 30 000 années-lumière de part et d'autre du disque de la Voie Lactée, qu'il s'agit de comprendre : rayons cosmiques de supernovas ou activité de Sgr A* ? 


Source

Cold gas in the Milky Way’s nuclear wind
Enrico M. Di Teodoro, N. M. McClure-Griffiths, Felix J. Lockman & Lucia Armillotta 
Nature volume 584 (20 august 2020)


Illustrations

1) Schéma des différentes structures observées au niveau du centre galactique (Nature Astronomy)

2) Cartographie des globules de gaz chaud (gaz atomique neutre). Ceux où a été détecté du gaz moléculaire froid sont entourés en rouge (Di Teodoro et al.)