Les énigmatiques naines blanches de l'amas NGC 6791

De tous les amas d'étoiles, NGC 6791 est l’un des plus étudiés car il est l'un des plus atypiques. Alors que les étoiles d’un amas sont censées être nées en même temps, NGC 6791 abrite trois populations dont les âges diffèrent entre eux de plus d’un milliard d’années ! Un début d’explication vient d’être avancé par les astrophysiciens.

Les amas galactiques ouverts sont de jeunes amas formés par l’effondrement d’un nuage moléculaire froid. Ainsi, les étoiles qui les composent ont-elles toutes le même âge, à une excellente approximation. Bien sûr, en fonction de leurs masses, ces étoiles ne vont pas évoluer de la même manière et certaines brûleront leur carburant thermonucléaire en quelques millions d’années seulement. La plupart des amas ouverts sont dominés par des géantes bleues de types O et B à courtes durées de vie, comme dans le cas du plus célèbre amas, celui des Pléiades.

Les amas ne contiennent en général que de 100 à 1000 étoiles et possèdent un diamètre d’une dizaine d’années-lumière. Instables, ils ne restent gravitationnellement liés que quelques centaines de millions d’années avant de se disperser complètement, en général au bout d’un milliard d’années.

Figure 1. A gauche, une image de l'amas NGC 6791 prise depuis le sol. En haut à droite, une image prise par Hubble montrant un zoom sur la région encadrée en bleu à gauche. En bas à droite, un autre zoom de Hubble sur la région encadrée en jaune. Les cercles bleus et rouges désignent respectivement les naines blanches les plus jeunes et les plus âgées. Cliquez pour agrandir. Crédit : Nasa-Esa, Digitized Sky Survey, L. Bedin

L'énigme des trois dates de naissance

L’amas ouvert NGC 6791 est lui complètement hors normes. Situé dans la constellation de la Lyre à 13.300 années-lumière, il est dix fois plus large qu’un amas moyen et contient environ 10.000 étoiles dont la masse totale représente au moins 4.000 fois celle du Soleil. Plus étonnant, les étoiles encore situées sur la séquence principale dans l’amas affichent un âge de 8 milliards d’années !

Ces étrangetés ne sont visiblement pas suffisantes à cet original pour se faire remarquer. En effet, les âges de deux de ses populations de naines blanches défient la théorie de l’évolution stellaire, qui semblait pourtant bien établie. Rappelons que les étoiles d’un amas sont censées avoir le même âge. Or, non seulement on trouve deux populations de naines blanches avec des âges respectifs de 4 et 6 milliards d’années, mais ces âges eux-mêmes diffèrent de ceux des étoiles sur la séquence principale de l’amas qui est, on l’a vu, de 8 milliards d’années.

Les astrophysiciens sont donc confrontés à une belle énigme...

Figure 2. La localisation de l'amas NGC 6791 sur la sphère céleste dans la constellation de la Lyre (Lyra en anglais). Cliquez pour agrandir. Crédit : Nasa-Esa,A. Fujii et Z. Levay

La théorie de l’évolution stellaire est l’épine dorsale de l’astrophysique, une révision importante de celle-ci entraînerait sans doute des bouleversements considérables dans la façon dont les chercheurs évaluent les temps et les distances dans l’Univers. Ainsi, le temps de refroidissement des naines blanches qui fait varier leur luminosité au cours du temps est utilisé comme chronomètre pour dater les amas globulaires, qui figure parmi les plus vieux objets de l’Univers. C’est aussi de cette façon que le disque de notre Galaxie a été daté.

On imagine donc aisément les conséquences qu’une remise en cause de la théorie des naines blanches pourrait avoir pour la cosmologie, et peut-être aussi pour la physique fondamentale, tant il est vrai que ces étoiles sont des conséquences de la mécanique quantique et de la relativité restreinte, comme Chandrasekhar nous l’a appris.

Figure 3. La répartition des étoiles dans le diagramme de Hertzsprung-Russell permet de dater un amas, le point de décrochage des étoiles (turn off point) descend le long de la séquence principale au fur et à mesure que le temps passe et que de plus en plus d'étoiles deviennent des géantes rouges. Dans le cas de NGC 6791, ce point indique un âge de 8 milliards d'années. La répartition des naines blanches en deux populations différentes sur le diagramme implique deux autres âges, ce qui est en principe impossible dans un amas ouvert. Crédit : Nasa-Esa

Un début de solution

Nous n’en sommes pas encore là et un groupe de chercheurs vient de proposer un début d’explication. Les estimations de l’âge des naines blanches seraient faussées par le fait que certaines d’entre elles seraient en réalité des binaires serrées. Bien qu'elles soient dans notre Voie Lactée, ces binaires ne pourraient pas être résolues en deux composantes par Hubble et elles apparaîtraient ainsi comme une seule naine blanche brillante donc plus chaude et plus jeune que des naines isolées. De cette façon, on pourrait rattacher les populations de naines blanches les plus jeunes à celles dont l’âge est estimé à 6 milliards d’années.

Elégante et simple, cette solution ne résout toutefois qu’une partie de l’énigme des naines blanches de NGC 6791. Il reste toujours un gouffre de 2 milliards d’années avec les étoiles encore sur la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell. Il semble donc que nous ne comprenons pas encore complètement les naines blanches et qu’un processus capable de ralentir leur refroidissement doit être à l’œuvre. Mais quel est-il ?

Si ce début d’explication est correct, ce serait la première fois que des systèmes binaires de naines blanches auraient été observés dans un amas.

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