Un duo d'astrophysiciens états-uniens vient de publier une étude portant sur la taille de plus de 6000 amas d'étoiles observés dans 31 galaxies, fournissant le plus grand échantillon de tailles d'amas, ce qui permet de trouver une relation simple de puissance entre la rayon des amas et leur masse. Une étude à paraître dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Gillen Brown et Oleg Gnedin (Université du Michigan) ont exploité les données du Legacy Extragalactic UV Survey
(LEGUS) pour mesurer le rayon à moitié de luminosité de 6097 amas d'étoiles. Le rayon à moitié de luminosité (half-light radius), c'est le rayon qui correspond à l'endroit où la luminosité d'un amas se retrouve divisée par deux par rapport à sa valeur maximale. On l'appelle aussi le rayon effectif, Reff. Il permet de fixer un critère commun pour comparer des amas entre eux.
On le sait, les étoiles naissent en groupes au sein de vastes nuages de gaz et forment alors des amas plus ou moins liés gravitationnellement. Toutes les galaxies possèdent chacune au moins plusieurs centaines d'amas quand ce n'est pas des milliers.
Les astronomes ont exploité des données portant sur 31 galaxies dont quelques unes bien connues des astronomes amateurs, comme M51. Ils observent que la distribution de la taille des amas d'étoiles montre pour toutes les galaxies un pic autour de la valeur de 3 pc, environ 10 années-lumière. Et en moyenne, le rayon de l'amas Reff est proportionnel à la masse élevée à puissance 0,24. Cette relation est présente pour tous les âges d'amas inférieurs à 1 milliard d'années, mais avec une pente plus faible pour les amas âgés de moins de 10 millions d'années.
Pour tenter d'interpréter les tendances qui sont observées en fonction de l'âge des amas, Brown et Gnedin ont fait plusieurs modèles et ils montrent que les amas qui ont les masses les plus élevées sont plus susceptibles de ne pas être influencés par les effets de marée et de pouvoir s'étendre. Ils montrent également que la plupart des amas de LEGUS sont liés gravitationnellement, en particulier aux âges plus avancés ou aux masses plus élevées.
Une fois connus le rayons des amas, on peut calculer leur densité. C'est surtout pour cette estimation que la mesure de la taille des amas est importante. En fonction de la densité initiale, des jeunes amas d'étoiles massifs peuvent en effet évoluer en amas globulaires ou bien se dissoudre dans le voisinage de la galaxie hôte. Lorsque les amas se forment dans des nuages moléculaires géants, la rétroaction des étoiles massives éjecte du gaz résiduel ce qui entraîne l'expansion de l'amas pour rétablir l'équilibre viriel. De plus, les chocs de marée provenant de rencontres avec d'autres nuages moléculaires géants ou des bras spiraux peuvent chauffer cinématiquement l'amas et conduire à sa dislocation, comme l'avait montré Spitzer dès 1958. La densité des jeunes amas détermine donc s'ils peuvent survivre à cette phase intense en tant que systèmes stellaires liés.
Les mesures de tailles d'amas précédemment publiées étaient limitées à seulement à quelques échantillons de galaxies : on peut citer les mesures de 1100 amas ouverts dans la Voie Lactée en 2013, 3800 amas mesurés dans M51 en 2016 ou encore 514 amas mesurés dans M31 en 2014.
Brown et Gnedin font donc plus que doubler le nombre total d'amas dont on connaît aujourd'hui le rayon, et donc la densité.
Cette grosse statistique permet aux chercheurs, en observant les distributions de la densité des amas et de leur densité de surface, de constater une grande dispersion qui semble diminuer avec l'âge de l'amas. Les amas les plus jeunes ont une densité de surface typique de 100 masses solaires par pc² , se qui se traduit par une densité de 30 masses solaires par pc3 , et les chercheurs trouvent qu'ils sont en moyenne moins liés gravitationnellement.
Mais il y a encore du travail à faire sur la caractérisation des amas d'étoiles, car en conclusion, Brown et Gnedin précisent qu'aucun des modèles qu'ils ont testés pour retrouver les évolutions des distributions de taille en fonction de l'âge des amas ne peut reproduire avec succès tous les aspects des distributions observées....
Source
Radii of Young Star Clusters in Nearby Galaxies
Gillen Brown and Oleg Y. Gnedin
accepté pour publication dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Illustration
Localisation des amas d'étoiles du relevé LEGUS (cercles) dans la galaxie M51 (Brown and Gnedin)
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