FAST – le plus grand radiotélescope à ouverture remplie du monde – détecte un champ magnétique interstellaire cohérent

Le nuage moléculaire du Taureau (échelle de gris), dont L1544 fait partie, est superposé à l’image du ciel 2MASS et à l’orientation du champ basée sur les données de Planck (fines lignes blanches). Le spectre Zeeman HINSA (ligne blanche épaisse) est représenté avec la signature Zeeman ajustée (bleu). Crédit : NAOC

Les champs magnétiques sont les ingrédients essentiels, mais souvent “secrets”, du milieu interstellaire et du processus de formation des étoiles. Le secret qui entoure les champs magnétiques interstellaires peut être attribué au manque de sondes expérimentales.

Alors que Michael Faraday sondait déjà le lien entre le magnétisme et l’électricité à l’aide de bobines au début du 19e siècle dans les sous-sols de la Royal Institution, les astronomes ne peuvent toujours pas déployer de bobines à des années-lumière.

À l’aide du radiotélescope sphérique de cinq cents mètres d’ouverture (FAST), une équipe internationale dirigée par le Dr LI Di des Observatoires astronomiques nationaux de l’Académie chinoise des sciences (NAOC) a obtenu l’intensité exacte du champ magnétique dans le nuage moléculaire L1544 – une région du milieu interstellaire qui semble prête à former des étoiles.

L’équipe a utilisé la technique dite d’auto-absorption étroite HI (HINSA), conçue pour la première fois par LI Di et Paul Goldsmith à partir des données d’Arecibo en 2003. La sensibilité de FAST a permis de détecter clairement l’effet Zeeman de la technique HINSA. Les résultats suggèrent que ces nuages atteignent un état supercritique, c’est-à-dire qu’ils sont prêts à s’effondrer, plus tôt que ne le suggèrent les modèles standard.

“La conception de FAST, qui consiste à concentrer les ondes radio sur une cabine entraînée par un câble, permet d’obtenir une optique propre, ce qui a été vital pour le succès de l’expérience Zeeman de HINSA”, a déclaré le Dr LI.

L’étude a été publiée dans Nature aujourd’hui (5 janvier 2022).

L’effet Zeeman – la division d’une ligne spectrale en plusieurs composantes de fréquence en présence d’un champ magnétique – est la seule sonde directe de l’intensité du champ magnétique interstellaire. L’effet Zeeman interstellaire est faible. Le décalage de fréquence provenant des nuages concernés ne représente que quelques milliardièmes des fréquences intrinsèques des lignes émettrices.

En 2003, on a découvert que les spectres des nuages moléculaires contenaient une caractéristique atomique-hydrogène appelée HINSA, qui est produite par des atomes d’hydrogène refroidis par des collisions avec des molécules d’hydrogène. Depuis que cette détection a été faite par le télescope Arecibo, l’effet Zeeman de HINSA a été considéré comme une sonde prometteuse du champ magnétique dans les nuages moléculaires.

HINSA a une intensité de ligne 5 à 10 fois supérieure à celle des traceurs moléculaires. HINSA a également une réponse relativement forte aux champs magnétiques et, contrairement à la plupart des traceurs moléculaires, est robuste face aux variations astrochimiques.

Les mesures HINSA de FAST situent l’intensité du champ magnétique dans L1544 à environ 4 µGauss, c’est-à-dire 6 millions de fois plus faible que celui de la Terre. Une analyse combinée avec l’absorption des quasars (trous noirs actifs supermassifs) et l’émission d’hydroxyle a également révélé une structure de champ magnétique cohérente dans tout le milieu neutre froid, l’enveloppe moléculaire et le noyau dense, avec une orientation et une magnitude similaires.

Par conséquent, la transition de la sous-criticité magnétique à la supercriticité – c’est-à-dire le moment où le champ peut et ne peut pas soutenir le nuage contre la gravité, respectivement – se produit dans l’enveloppe plutôt que dans le noyau, contrairement à l’image conventionnelle.

La façon dont le champ magnétique interstellaire se dissipe pour permettre l’effondrement du nuage reste un problème non résolu dans la formation des étoiles. La principale solution proposée est depuis longtemps la diffusion ambipolaire, c’est-à-dire le découplage des particules neutres de l’enveloppe et du noyau. plasma – dans les noyaux de nuages.

La cohérence du champ magnétique révélée par l’effet Zeeman HINSA signifie que la dissipation du champ se produit pendant la formation de l’enveloppe moléculaire, peut-être par un mécanisme différent de la diffusion ambipolaire.

Référence : “An Early Transition to Magnetic Supercriticality in Star Formation” 5 janvier 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04159-x