Sciences

Une étoile "impossible" intrigue les astrophysiciens

ActualitéClassé sous :Astronomie , halo , première étoile

Elle serait âgée d'au moins 13 milliards d'années, ne contiendrait pas d'éléments métalliques, ou presque... et elle n'aurait donc pas dû pouvoir se former. L'étoile SDSS J102915+172927 est la star d'une publication de Nature et représente un défi aux modèles de la formation stellaire.

La naine SDSS J102915+172927 située dans notre galaxie, la Voie lactée, a été observée à l’aide du Very Large Telescope de l’ESO. Un peu moins massive qu’un soleil et probablement âgée de plus de 13 milliards d’années, elle se distingue par sa très faible teneur en éléments chimiques lourds, synthétisés après le Big Bang. La composition chimique de l’astre est dominée par les éléments primordiaux hydrogène et hélium. © ESO/DSS2/Observatoire de Paris
  • Tout savoir sur les étoiles avec notre dossier complet 

Les étoiles de première génération sont nées au cours des premières centaines de millions d'années après le Big Bang, c'est-à-dire à partir du gaz laissé par la nucléosynthèse primordiale. Ainsi, la caractéristique d'une étoile de première génération est qu'elle ne contient pas d'éléments plus lourds que le lithium et donc pas de carbone, d'oxygène, d'azote et encore moins de fer. Tous ces éléments seront synthétisés ultérieurement dans le cœur de ces étoiles, lorsqu'elles sont suffisamment massives, et ils seront dispersés dans le milieu interstellaire lorsque des étoiles d'au moins 8 masses solaires exploseront en supernovae. Notre Soleil est lui une étoile de deuxième génération car il s'est formé, comme les planètes de notre Système solaire, à partir d'un nuage de gaz enrichi en éléments lourds par les explosions des étoiles de première génération.

Les astrophysiciens ont une étrange manie : pour eux, tous les éléments autres que l'hydrogène et l'hélium sont des métaux. Et lorsqu'ils analysent l'atmosphère d'une étoile (qui doit être le reflet de la composition chimique initiale du nuage de gaz ayant donné lieu à la formation de l'astre) ils parlent de sa métallicité. Plus une étoile a une métallicité élevée, plus elle s'est formée tardivement dans l'histoire de sa galaxie. Comme on sait qu'une étoile évolue d'autant plus rapidement qu'elle est massive, parfois en quelques millions d'années seulement, on a toutes les raisons de penser, lorsque l'on découvre une étoile de quelques masses solaires tout au plus et avec une faible métallicité, que l'on est en présence d'une étoile née il y a plusieurs milliards d'années.

Une étoile de magnitude 17 dans le halo

Les observations montrent que les étoiles les plus vieilles de notre galaxie, la Voie lactée, se trouvent majoritairement dans le bulbe et dans le halo qui l'entoure. Elles font l'objet d'études depuis très longtemps et c'est ainsi qu'une équipe d'astrophysiciens européens a fini par observer de plus près, avec les instruments X-shooter et Uves sur le VLT, l'étoile SDSS J102915+172927.


Un zoom sur l'étoile SDSS J102915+172927 située dans la constellation du Lion. © ESO/A. Fuji/DSS2/Observatoire de Paris/J. Dyson « Moonwind »/YouTube

Initialement détectée dans le cadre du Sloan Digital Sky Survey ou SDSS (les numéros font référence à la position de l'objet dans le ciel), cet astre se trouve à environ 4.000 années-lumière de distance dans la constellation du Lion. Il fait partie du halo et comme le montre cette vidéo, son orbite est très inclinée par rapport au plan galactique. On avait toutes les raisons de penser qu'il s'agissait d'une vieille étoile mais la détermination de sa métallicité et de sa masse ont surpris les astrophysiciens.

Seulement 0,00007 % d'éléments lourds

La proportion de métaux dans SDSS J102915+172927 est en effet plus de vingt mille fois inférieure à celle du Soleil. Seul du calcium a pu être détecté, pas même du lithium. Avec 0,8 masse solaire, ces observations indiquent donc que cette étoile est très vieille, plus de 13 milliards d'années. C'est incontestablement l'une des plus vieilles étoiles de la Voie lactée et cette estimation est d'autant plus impressionnante que celle de l'âge de l'univers donnée par les mesures de WMap est de 13,7 milliards d'années.

Or, de nos jours, pour que des étoiles se forment, la présence d'éléments lourds comme le carbone et l'oxygène est essentielle. Les premières étoiles s'en sont passées très probablement parce qu'elles étaient très massives et grâce à la présence de molécules d'hydrogène. Dans le cas de SDSS J102915+172927, la théorie de la formation stellaire (amplement soutenue par les observations effectuées jusqu'à présent) est formelle.

Une étoile de si faible masse et avec une telle pauvreté en métaux n'aurait pas dû pouvoir se former !

L'énigmatique « étoile de Caffau » 

L'énigme devient plus épineuse lorsque l'on se rend compte que l'absence de lithium détectable ne cadre pas avec la théorie de la nucléosynthèse primordiale. Une étoile aussi pauvre en métaux a dû se former à partir d'un nuage de matière très primitif. Il doit donc contenir du lithium.

Pour le moment, la seule explication possible pour son absence dans l'atmosphère de SDSS J102915+172927 est que des réactions thermonucléaires l'ont détruit. Mais il faut pour cela faire intervenir des températures d'au moins 2 millions de kelvins, ce qui est là encore très inhabituel pour des naines de ce genre.

Une telle étoile paradoxale n'est très probablement pas seule dans le halo. Comme l'indique l'astrophysicienne Elisabetta Caffau : « Nous avons identifié plusieurs autres étoiles candidates qui doivent avoir des niveaux de métal similaires, voire plus faibles, que dans SDSS J102915+172927. Nous envisageons maintenant de les observer avec le VLT afin de voir si c'est bien le cas ».