Cette vue d'artiste montre VFTS 532 – le système d'étoiles doubles le plus chaud et le plus massif connu à ce jour, dont les composantes, situées à grande proximité l'une de l'autre, partagent du contenu matériel. Les deux étoiles de ce système extrême se situent à quelque 160.000 années-lumière de la Terre dans le Grand Nuage de Magellan. Cet étrange système s'achemine certainement vers une fin dramatique : la formation d'une unique étoile géante ou d'un futur trou noir binaire. © ESO/L. Calçada

Sciences

Une collision d'étoiles trahie par des molécules radioactives

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CK Vulpeculae est une étoile entourée d'une nébuleuse de la constellation boréale du Petit Renard, observée en 1670 sous la forme d'une nova, la première attestée du genre. La détection de molécules radioactives dans sa nébuleuse révèle aujourd'hui qu'elle est plus vraisemblablement le produit d'une collision de deux étoiles peu massives.

Il y a 348 ans, les astronomes Anthelme Voituret et Johannes Hevelius (le père de la cartographie lunaire et l'époux de l'astronome Elisabeth Koopmann-Hevelius) ont découvert une étoile au cours du mois de juin 1670, une nova, la première découverte à l'époque moderne. Elle est connue sous le nom de CK Vulpeculae mais à l'origine l'astronome britannique John Flamsteed, contemporain de Newton et Halley lui avait attribué la dénomination 11 Vulpeculae (11 Vul) dans son catalogue, indiquant que cette étoile variable était dans la constellation boréale du Petit Renard. Pendant des siècles, on a perdu sa trace, elle faisait donc partie des célèbres étoiles disparues de Flamsteed.

Elle a été redécouverte au début des années 1980. En 2015, le radioastronome Tomasz Kamiński et ses collègues de l'ESO avaient publié un premier travail dans lequel ils avançaient que les données qu'ils avaient collectées ne cadraient pas avec l'interprétation la plus fréquemment acceptée de CK Vulpeculae. Ce qui se présentait en apparence comme une nova, c'est-à-dire une explosion résultant de l'accrétion récurrente de la matière d'une étoile en phase géante rouge par une naine blanche dans un système binaire, devait en fait être une collision d'étoiles. Ce type d'évènement est d'une puissance intermédiaire entre celle d'une nova classique et d'une supernova.

Cette séquence vidéo emmène l'observateur au cœur de la région septentrionale de la Voie Lactée, une zone riche de nombreux objets, dans la constellation du Petit Renard, non loin de la célèbre constellation du Cygne. À cet endroit précis, apparut en 1670 un phénomène lumineux. De nouvelles observations effectuées au moyen d'Apex et d'autres télescopes révèlent aujourd'hui l'origine exacte du phénomène : il ne s'agissait pas d'une nova mais d'une rare et violente collision stellaire. À l'époque, cet évènement était observable à l'œil nu. Les traces aujourd'hui sont si faibles que leur analyse détaillée a requis l'utilisation de télescopes opérant dans le domaine submillimétrique. © ESO/Digitized Sky Survey 2/N. Risinger (skysurvey.org): Davide De Martin. Musique: Johan B. Monell (www.johanmonell.com)

Aujourd'hui Tomasz Kamiński revient avec ses collègues sur le cas de CK Vulpeculae et ils enfoncent le clou dans un article publié dans Nature Astronomyque l'on peut trouver en accès libre sur arXiv. Pour cela, les radioastronomes ont fait de nouvelles observations avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) et Northern Extended Millimeter Array (Noema).

Des noyaux d'aluminium éjectés par une explosion d'étoiles en collision

Qu'ont donc trouvé les chercheurs dans l'environnement stellaire autour de la faible étoile centrale formée à l'occasion de la collision, à environ 2.000 années-lumière du Soleil, et qui correspond donc à CK Vulpeculae ? Tout simplement la signature spectrale de transitions quantiques bien particulière dans les molécules et que l'on appelle des transitions de rotation. En l'occurrence, il s'agit d'émissions ou d'absorptions de photons permettant à une molécule diatomique de changer d'état de rotation et donc de niveaux d'énergie. Le genre de phénomène qui intéresse les spécialistes en chimie quantique, et bien sûr, les astronomes car il permet de détecter et d'identifier des molécules, que l'on peut modéliser de nos jours avec des simulateurs quantiques.

Dans le cas présent, les chercheurs ont établi la présence de monofluorure d'aluminium AlF, une molécule qui n'existe pas dans le milieu interstellaire à haute température. Enfin, presque, parce que l'atome d'aluminium est en fait sous la forme d'un de ses isotopes, le fameux aluminium-26 radioactif à courte durée de vie et qui se désintègre en magnésium-26 en émettant des rayons gamma.

Vue d’artiste d’une collision entre deux étoiles. Cet évènement explosif est semblable à celui ayant donné lieu à la formation de CK Vulpeculae. Sur l’encadré, figure la structure interne d’une géante rouge telle qu’elle était, avant la fusion. Une fine couche d’aluminium-26 (en brun) entoure le cœur d’hélium. Une enveloppe convective étendue (pas à l’échelle) définit les contours de l’étoile. Elle transporte la matière du cœur vers la surface de l’étoile, à l’exception de l’aluminium-26, situé en trop grande profondeur de l’étoile. Seule une collision avec une autre étoile est susceptible de disperser l’aluminium-26. © NRAO/AUI/NSF S. Dagnello

Or, on sait que cet isotope se forme dans les couches profondes d'étoiles et certainement pas à la surface d'une naine blanche ou dans les couches supérieures d'une géante rouge. Sa présence ne peut s'expliquer que par une collision de deux étoiles de faible masse dont l'une au moins était une géante rouge avec une masse comprise entre 0,8 et 2,5 fois celle de notre Soleil. Il n'y a que de cette façon que les noyaux d'aluminium-26 ont pu se retrouver éjectés dans l'espace (une supernova donnerait le même résultat mais on devrait observer un reste de grande taille à la place de CK Vulpeculae et l'explosion aurait été plus lumineuse que celle décrite en 1670).

Indépendamment de faire la lumière sur la vraie nature de CK Vulpeculae, cette découverte sert aussi à mieux comprendre l'évolution chimique de la galaxie sous l'effet des explosions d'étoiles, relâchant dans le milieu interstellaire les noyaux produits par la nucléosynthèse stellaire tels l'oxygène, l'azote, le fer et le silicium et bien sûr le carbone.

  • En 1670, plusieurs astronomes européens ont fait l'observation d'une nouvelle étoile considérée, jusqu'à peu, comme la première nova attestée de l'ère de l'astronomie moderne.
  • Perdue puis retrouvée des siècles plus tard et connue aujourd'hui sous le nom de CK Vulpeculae, la faible étoile entourée d'une nébuleuse et distante d'environ 2.000 années-lumière dans la constellation du Renard a probablement livré son secret grâce aux progrès de la radioastronomie.
  • Alma a permis d'identifier les raies caractéristiques d'une molécule contenant un isotope radioactif d'aluminium-26.
  • Sa présence, alors qu'il est synthétisé dans une couche profonde d'une étoile, implique que CK Vulpeculae n'est pas le produit d'une nova mais bien de l'explosion accompagnant la collision et la fusion de deux étoiles peu massives.
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