Image d'Alma de la proto-étoile massive G353.273 + 0.641. Les émissions de la proto-étoile centrale, du disque et de l’enveloppe gazeuse sont indiquées en rouge, jaune et bleu. L'asymétrie dans le disque est clairement montrée avec les observations Alma haute résolution. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), Motogi et al.

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Révélations sur la naissance des étoiles massives

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Les étoiles massives sont rares mais elles sont à l'origine des éléments lourds et leur souffle influence la naissance des autres étoiles. Les observations du radiotélescope Alma viennent de suggérer pour la première fois que les étoiles massives se formaient comme des étoiles légères.

La majorité des étoiles dans la Voie lactée sont des naines rouges, elles sont souvent en couple et chacune est peu massive, pesant moins que notre Soleil. Lorsque l'on veut parler d'étoiles massives, il s'agit en général d'étoiles contenant au moins huit masses solaires. Ces étoiles ont une courte durée de vie car leurs masses leur permettent d'utiliser à plein des cycles de réactions de fusion thermonucléaire avec, en tout premier lieu, le fameux cycle CNO du carbone de Bethe-Weizsäcker. Elles ne deviendront jamais des naines blanches mais finiront par exploser en supernovae, donnant des étoiles à neutrons, et si elles sont particulièrement massives, des trous noirs, et ce, en moins de quelques centaines de millions d'années.

Bien que rares, ces étoiles ont un rôle essentiel dans l'évolution chimique des galaxies et donc aussi dans les conditions permettant l'apparition de la vie comme l'explique l'astrophysicienne Yaël Nazé dans la vidéo ci-dessous. En effet, elles sont au cœur de la nucléosynthèse stellaire des éléments du carbone jusqu'au fer que l'on retrouve dans nos cellules. Elles sont aussi très lumineuses, ce qui signifie que le souffle de leur rayonnement va influencer les conditions d'effondrement des nuages moléculaires et poussiéreux qui vont donner lieu à la naissance de nouvelles étoiles.

Elles sont rares mais gigantesques ! Les étoiles massives, ultra chaudes et brillantes, sont de véritables forges chimiques. Comment fonctionnent ces maîtres de l'univers où naissent les éléments chimiques qui nous entourent ? Les explications de Yaël Nazé, astrophysicienne à l'Institut d'astrophysique de Liège. Réalisation et copyright Espace des sciences

Une protoétoile de 10 fois la masse du Soleil

Les astrophysiciens se sont donc donné comme mission l'étude de la formation des étoiles massives depuis un certain temps déjà et aujourd'hui, ils se sont dotés d'un nouvel instrument qui leur donne de nouveaux éléments de réponses, en l'occurrence l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Une équipe de chercheurs japonais s'est ainsi penchée sur la source du nom de G353.273+0.641 (en abrégé G353) située dans la constellation du Scorpion à environ 5.500 années-lumière du Système solaire.

Ce n'est pas encore une étoile massive sur la séquence principale mais bien une protoétoile entourée d'un disque d'accrétion et d'une enveloppe stellaire alimentant encore ce disque et la croissance de la protoétoile dans laquelle les réactions de fusion -- et a fortiori CNO -- n'ont pas encore vraiment commencé. Elle tire donc son énergie lumineuse du processus de contraction gravitationnelle théorisé au XIXe siècle par Kelvin et Helmoltz.

Les observations permettent de conclure que la protoétoile G353 contient déjà 10 masses solaires et que sa croissance se poursuit. Par chance, c'est la première fois que l'on voit perpendiculairement le plan du disque entourant une protoétoile massive avec Alma ; de jeunes étoiles légères, encore entourées d'un disque protoplanétaire ont déjà été étudiées avec cet instrument, ainsi que des étoiles massives, mais elles étaient vues presque dans le plan du disque les entourant encore.

Vue d’artiste du disque et de l’enveloppe gazeuses autour de l’énorme proto-étoile G353.273 + 0.641. © National Astronomical Observatory of Japan

Un processus universel de formation des étoiles ?

Le signal étudié avec le radiotélescope permet de conclure également que le rayon du disque autour de G353 est huit fois supérieur à celui de l'orbite de Neptune, ce qui en fait un des plus petits observés autour d'une protoétoile massive. De façon intéressante, il a été possible de mesurer le taux de chute de la matière de l'enveloppe de gaz trois fois plus grande que le disque autour de G353 vers ce disque. Cela a permis aux astrophysiciens d'estimer l'âge de la protoétoile : 3.000 ans tout au plus. C'est donc la plus jeune protoétoile connue à ce jour et son étude va donc permettre de comprendre les tout premiers phénomènes liés à la naissance d'une étoile massive.

Surtout, ce qui attire l'attention des astrophysiciens spécialisés dans la cosmogonie des étoiles, c'est que le disque entourant G353 n'est pas uniformément brillant donc pas uniforme tout simplement du point de vue de la densité et de la température. Le sud-est du disque est en particulier plus brillant que l'autre partie. C'est une grande première pour un disque autour d'une protoétoile massive avec, en bonus, la découverte d'instabilité montrant que le disque est sur le point de se fragmenter.

Or, on connait des caractéristiques tout à fait similaires dans le cas des protoétoiles de plus petites masses. Cela suggère que le processus à l'œuvre, que ce soit par exemple dans le cas du protosoleil ou de G353, est le même et qu'il existerait donc une sorte de théorie universelle de la naissance des étoiles. Voilà de quoi rendre plus solide la description de ces naissances, de la Galaxie au moins, et donc l'évolution de notre Voie lactée qui a permis l'apparition de la Vie sur Terre et probablement ailleurs aussi.

  • Les étoiles plus massives que huit masses solaires sont rares mais elles jouent un rôle très significatif dans l'évolution chimique des galaxies et dans la naissance des autres étoiles.
  • On cherche donc à mieux les comprendre, en particulier leur naissance.
  • Les observations du radiotélescope Alma viennent de montrer pour la première fois que les disques autour des protoétoiles massives et des protoétoiles légères, comme celles à l'origine du Soleil, avaient des points en commun, suggérant un même processus à l'œuvre pour la formation des étoiles de toutes les masses.
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