Des astrophysiciens ont pu étudier des étoiles situées dans de vieux amas ouverts. Ils ont découvert qu'un nombre anormalement élevé de ces étoiles avaient des axes de rotation presque parallèles. Ici, une vue d'artiste de Kepler observant les transits planétaires. © Nasa

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Ces étoiles sœurs naissent presque avec le même axe de rotation

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Grâce au satellite Kepler, des astrophysiciens ont pu étudier des étoiles situées dans de vieux amas ouverts. Ils ont découvert qu'un nombre anormalement élevé de ces étoiles avaient des axes de rotation presque parallèles. Cela contredit les modèles classiques de naissance des étoiles.

Comment naissent les étoiles ?  Dans cette vidéo, Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous parle de la façon dont se forment les étoiles et aussi de l’astrophysique nucléaire des étoiles. 

Tout comme son cousin européen (le défunt CoRot), le satellite Kepler n'est pas seulement en mesure de chasser les exoplanètes par la méthode des transits. Il peut aussi être utilisé pour faire de l'astérosismologie, c'est-à-dire pour étudier les mouvements sismiques (aussi appelés « oscillations ») des étoiles.

En effet, les étoiles sont des boules de plasma autogravitant. Elles sont donc susceptibles d'être parcourues par des ondes pouvant être analysées comme des combinaisons de modes propres d'oscillations. Il en est d'ailleurs de même pour la Terre, qui peut se comporter comme un corps élastique vibrant en réponse à des ondes sismiques. (Les caractéristiques de ces ondes nous permettent de voir des structures à l'intérieur de la Terre et d'en déterminer la composition. C'est de cette manière, par exemple, que la Danoise Inge Lehmann a découvert la graine de la Terre.)

Les astrophysiciens entreprirent donc, il y a des dizaines d'années, d'appliquer l'équivalent de la sismologie de leurs collègues géophysiciens (qui, après tout, étudient un astre, la Terre) aux étoiles. Ce fut d'abord le cas avec l'étoile la plus proche de la Terre, le Soleil, ce qui, tout naturellement, donna naissance à l'héliosismologie.

Cette discipline fut ensuite appliquée aux autres étoiles. Avec le satellite Kepler, il est en effet possible d'observer les courbes de variation de la luminosité des étoiles, courbes qui sont affectées par les vibrations des étoiles. Tout comme l'étude du son permet de déterminer la forme et la composition de l'instrument qui l'a émis, l'étude de ces courbes de lumière nous permet, par exemple, de déterminer sous quel angle est vue une étoile en rotation et, donc, de connaître l'orientation de son axe de rotation.

Annie Baglin s'occupe de la mission Corot en France. Elle parle ici de l'héliosismologie. Appliquée aux autres étoiles, cette discipline devient l'astérosismologie. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com, Youtube

Kepler contredit les modèles classiques de naissance des étoiles

Les astrophysiciens se sont servis de cette technique pour déterminer les axes de rotation des étoiles situées dans deux vieux amas ouverts de la Voie lactée. Il s'agit de NGC 6791, âgé de huit milliards d'années, et NGC 6819, âgé quant à lui de deux milliards d'années.

Pendant quatre ans, les astérosismologues ont observé, avec Kepler, une cinquantaine de géantes rouges de masses comprises entre une et deux fois celle du Soleil (on parle de masses solaires). Les résultats obtenus sont étonnants : plus des deux tiers de ces étoiles montrent de fortes corrélations dans la direction de l'orientation de leur axe de rotation.

Comme elles sont trop éloignées pour que des interactions gravitationnelles les aient conduites à avoir des axes presque dans la même direction, les chercheurs sont arrivés à la conclusion qu'il s'agissait des vestiges des conditions de naissance de ces étoiles, qui sont toutes nées quasiment en même temps, dans un même nuage moléculaire et poussiéreux, dense et froid, comme toutes les étoiles des amas ouverts, mais, dans le cas présent, il y a des milliards d'années.

En fait, ce phénomène s'expliquerait de la même manière que les planètes de notre Système solaire tournent autour du Soleil dans la même direction, quasiment dans le même plan et dans le sens de rotation de notre étoile. Il s'agirait de la conservation du moment cinétique de la rotation du nuage moléculaire initiale. Sauf que cette explication ne va pas de soi...

Un tel nuage possède des mouvements turbulents. Les astrophysiciens s'attendaient donc à ce que, tout en s'effondrant et se fragmentant pour donner des étoiles, ce moment cinétique globale se décompose lui aussi en une somme de moments cinétiques dont les orientations soient aléatoires, bien que la somme reste constante. D'ailleurs, on observait bien, par exemple dans le cas d'un jeune amas ouvert, celui des Pléiades, que les orientations des axes de rotation des étoiles étaient effectivement répartis de façon très dispersée. Cependant, on pouvait avoir des doutes sur ces observations.

Un résumé de la découverte des chercheurs en ce qui concerne l'alignement des axes de rotation des étoiles. © E. Corsaro

Que se passe-t-il dans les amas ouverts, ces pouponnières d'étoiles ?

La découverte de Kepler, qui semble plus solide, nous renseigne sur ce qui peut se passer dans les nuages qui vont devenir des pouponnières d'étoiles. Des informations importantes car les observations sont difficiles dans ces nuages : ils sont opaques dans le visible. Seules des mesures dans l'infrarouge, comme c'était le cas par exemple avec le satellite Herschel, permettent d'y voir littéralement plus clair dans les processus de formation stellaire, qui sont encore mal compris. Toutes les données obtenues ainsi sont précieuses ; il est possible de les comparer à des simulations numériques de plus en plus puissantes, permises par les superordinateurs modernes.

De fait, c'est ce que vient de faire une équipe de recherche internationale, incluant le CEA, le CNRS et l'université Grenoble-Alpes, avec les données de Kepler concernant NGC 6791 et NGC 6819. Les résultats de leur travail viennent d'être publiés dans Nature Astronomy.

Pour accorder les données et les simulations (voir aussi le séminaire de Enrico Corsaro, astrophysicien au CEA), il semble que les alignements des axes de rotation ne soient possibles que lorsqu'au moins 50 % de l'énergie totale d'un nuage moléculaire en train de former un amas ouvert est sous forme d'énergie cinétique de rotation globale. En outre, seules les étoiles contenant au moins 0,7 masse solaire naîtraient avec des axes de rotation alignés, ou peu s'en faut. Dans les cas contraires, la turbulence dans le proto-amas ouvert va effectivement disperser les moments cinétiques des étoiles.