Pour la première fois, des astronomes ont mesuré directement la vitesse du gaz extrêmement chaud éjecté depuis le noyau de la galaxie M82, une galaxie voisine caractérisée par une activité de formation stellaire intense. Ces résultats, publiés dans la revue Nature, constituent une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes à l’origine des vents galactiques dans les galaxies à sursaut de formation d’étoiles.
Les observations révèlent que ce vent chaud semble être le moteur principal d’un vent
galactique plus froid, déjà bien
documenté, qui s’étend à grande échelle autour de la galaxie. Les
mesures ont été rendues
possibles grâce à l’instrument Resolve, un spectromètre à haute résolution associé
au télescope spatial XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission),
spécialisé dans l’observation du rayonnement X.
Les modèles théoriques classiques prévoient que, dans les
galaxies à sursaut de formation stellaire comme M82, l’énergie libérée par la
formation massive d’étoiles et par les supernovas chauffe fortement le gaz
interstellaire central. Ce gaz, porté à des températures extrêmes, subit alors
une forte pression thermique qui l’entraîne vers l’extérieur sous la forme d’un
vent galactique. Jusqu’à présent, l’absence de mesures directes des vitesses du
gaz chaud empêchait de tester rigoureusement ces modèles. Les données de XRISM
montrent désormais que ces vitesses sont supérieures à certaines prédictions,
et suffisantes pour permettre au gaz de s’échapper du potentiel gravitationnel
de la galaxie.
M82, souvent appelée la « galaxie
du Cigare » en raison de sa morphologie allongée, est
située à environ 12 millions d’années-lumière de la
Terre, dans la constellation de la Grande Ourse. Elle forme des étoiles à un rythme environ dix fois plus élevé que celui de la Voie lactée, ce qui en fait un laboratoire privilégié pour l’étude des processus de rétroaction entre formation
stellaire et milieu interstellaire.
La galaxie est également célèbre pour son vent froid étendu, composé de gaz et de poussières, qui s’étend sur près de 40 000 années-lumière. Ce vent a été observé par plusieurs télescopes spatiaux, notamment Hubble, Chandra, Spitzer et Webb, afin de mieux comprendre le lien entre l’activité stellaire centrale et l’expulsion de matière à grande échelle.
Un enjeu important de ces recherches concerne le rôle des
rayons cosmiques, des particules chargées se déplaçant à des vitesses
relativistes. Accélérés par les mêmes phénomènes violents que ceux responsables
des vents galactiques, ils pourraient contribuer à la pression globale exercée
sur le gaz et participer à son expulsion hors de la galaxie.
Grâce à la résolution spectrale élevée de XRISM, Erin
Boettcher (Université du Maryland) et ses collaborateurs ont analysé les raies
d’émission X du fer fortement ionisé présent dans le gaz central de M82.
L’intensité de ces raies a permis de déterminer la température du gaz, estimée
à environ 25 millions de
kelvins, en accord avec les prédictions théoriques. À de telles températures, la pression thermique devient suffisante pour accélérer le gaz vers l’extérieur, selon un mécanisme comparable à celui des écoulements de gaz dus à des gradients
de pression.
La vitesse du vent chaud a été mesurée à partir de
l’élargissement des raies spectrales, un effet lié au décalage Doppler. Le
mouvement rapide du gaz, à la fois vers et à l’opposé de l’observateur, élargit
les raies observées. L’analyse de cet élargissement indique que la vitesse du
vent est légèrement supérieure à celle attendue. Combinée à la température
élevée du gaz, cette vitesse suffit à expliquer l’alimentation du vent froid,
sans nécessiter une contribution dominante des rayons cosmiques, bien que ceux-ci
puissent jouer un rôle secondaire.
Les estimations de Boettcher et al. suggèrent que le centre de M82 expulse
chaque année une masse de gaz égale à environ 7 masses solaires. Toutefois, ils
montrent qu’une partie de cette matière ne semble pas contribuer directement au
vent froid observé. Seulement environ 60 % de la puissance du vent chaud est
nécessaire pour accélérer le gaz froid aux vitesses observées. Cela suggère
qu'environ 40 % du vent chaud, soit 3
M⊙
par an, pourraient s'échapper. En supposant un régime
stationnaire, jusqu'à environ 30 millions M⊙ de ce gaz pourraient avoir
atteint le milieu intergalactique au cours des quelque 10 millions d'années écoulées depuis
le début des récents
sursauts de formation d'étoiles.
Ce gaz est enrichi en métaux par la formation d'étoiles. De plus, le fluide chaud du vent transporte la majeure partie de l'énergie thermique de l'écoulement multiphasique. Ceci suggère que jusqu'à un tiers de l'énergie thermique totale transportée par le vent multiphasique atteint également le milieu intergalactique lors de la phase chaude. M82 est donc un exemple de réchauffement modéré et d'enrichissement chimique du milieu intergalactique par un vent de galaxie à sursaut de formation d'étoiles à faible décalage vers le rouge. Les observations de M82 par XRISM offrent ainsi une opportunité unique de confronter les modèles de galaxies à sursaut de formation d’étoiles à des données observationnelles précises.
L'avènement de la spectroscopie des rayons X à haute
résolution permettra des mesures statistiques de la masse, des métaux et de
l'énergie associés aux phases les plus chaudes des vents de galaxies à sursaut
de formation d'étoiles, affinant ainsi notre compréhension du cycle baryonique
et des processus de rétroaction galactique pour nos modèles décrivant
l’évolution des galaxies dans l’Univers.
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