Le télescope spatial James-Webb n’en finit décidément plus de nous régaler. Tout en fournissant aux astronomes de précieuses données pour mieux comprendre notre Univers. Aujourd’hui, dans l’image de ces empreintes digitales collectées à plus de 5.000 années-lumière de la Terre. Autour d’un drôle de système d’étoiles.

On pourrait les voir comme des empreintes digitales dans le ciel. Ou encore, comme les cernes de croissance d'un arbrearbre... à plus de 5.000 années-lumièreannées-lumière de la Terre. Les 17 anneaux de poussière observés par le télescope spatial James-Webb (JWST) autour du système de deux étoilesétoiles baptisé Wolf-Rayet 140. 17 anneaux là où les télescopes au sol ne parvenaient pas à en distinguer plus de deux !

Rappelons que ce qui permet au JWST d'observer des objets relativement froids de type anneaux de poussière, c'est la sensibilité aux infrarougesinfrarouges de son instrument MiriMiri. Et son spectromètrespectromètre a même permis de révéler la composition de ces anneaux de poussière. Ils sont essentiellement formés de matièrematière éjectée par un type d'étoiles que les astronomesastronomes connaissent sous le nom d'étoile Wolf-Rayet. De la matière riche en carbonecarbone.

L'étoile double Wolf-Rayet 140 et ses anneaux de poussière disséqués par le télescope James-Webb. © Nasa, ESA, CSA, STScI, JPL-Caltech
L'étoile double Wolf-Rayet 140 et ses anneaux de poussière disséqués par le télescope James-Webb. © Nasa, ESA, CSA, STScI, JPL-Caltech

Une étoile Wolf-Rayet est une descendante d'une étoile de type spectral O -- ou peut-être de type B. Comprenez, une étoile très chaude et très lumineuse, de couleurcouleur bleue. Et dont la massemasse à sa naissance est au moins 25 fois supérieure à celle de notre Soleil. Mais une étoile qui approche de la fin de sa courte vie et « brûle » plus que dans sa jeunesse. Une étoile Wolf-Rayet génère ainsi des ventsvents stellaires puissants qui poussent d'énormes quantités de gazgaz dans l'espace. Les chercheurs estiment que l'étoile Wolf-Rayet de la paire Wolf-Rayet 140 -- sa compagne se trouvant être une étoile de type O -- peut avoir perdu de la sorte plus de la moitié de sa masse d'origine.

Une comparaison entre notre Soleil (en haut à gauche) et les deux étoiles qui composent le système Wolf-Rayet 140 : une étoile de type O d’environ 30 masses solaires, et une étoile Wolf-Rayet d’une dizaine de fois la masse de notre Étoile. © Nasa, JPL-Caltech
Une comparaison entre notre Soleil (en haut à gauche) et les deux étoiles qui composent le système Wolf-Rayet 140 : une étoile de type O d’environ 30 masses solaires, et une étoile Wolf-Rayet d’une dizaine de fois la masse de notre Étoile. © Nasa, JPL-Caltech

En apprendre plus sur la formation des étoiles

Plusieurs autres systèmes Wolf-Rayet sont connus pour former de la poussière. Lorsque les deux étoiles qui composent le système se rapprochent à une distance de l'ordre de celle qui sépare notre Terre du Soleil, leurs vents stellaires se rencontrent. Les éléments lourds de ces vents se refroidissent, se compriment. Il se forme alors de la poussière. Les binairesbinaires Wolf-Rayet dont les orbitesorbites sont presque circulaires peuvent ainsi produire de la poussière presque en continu.

Mais ce n'est pas le cas de Wolf-Rayet 140, car l'orbite de son étoile Wolf-Rayet est au contraire allongée. C'est cette particularité qui mène à la formation d'anneaux de poussière. « De coquilles », précisent les chercheurs, car la structure est plus épaisse et étendue que ne le laisse penser l'image du JWST. Cela arrive tous les 8 ans, pour ce système-là. Lorsque les étoiles se retrouvent suffisamment proches. D'où la comparaison, à la fois avec une empreinte digitale et avec les cernes d'un arbre. « Cette image montre plus d'un siècle de production de poussière dans ce système d'étoiles », se réjouit Ryan Lau, astronome au NOIRLab, dans un communiqué de la Nasa.

Cela intéresse les chercheurs parce qu'ils savent que lorsqu'une étoile Wolf-Rayet dégage une région de l'espace, le matériaumatériau balayé par ses vents peut s'accumuler plus loin et devenir suffisamment dense pour former de nouvelles étoiles. Quelques preuves montrent d'ailleurs que notre Soleil a vu le jour ainsi. Et l'observation de ces coquilles de poussière si bien préservées -- il pourrait en exister d'autres, selon les astronomes, invisibles même au JWST -- montre bien qu'elles peuvent continuer longtemps à fournir de la matière pour de futures étoiles et planètes. Le télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb devrait continuer ainsi à apporter de nouveaux indices sur le rôle des étoiles Wolf-Rayet dans la formation de nouvelles étoiles dans la Voie lactée.

À noter que France 5 diffuse ce soir, jeudi 13 octobre à 21 h, le documentaire James Webb, voyage aux origines de l'UniversUnivers.


Quelle est cette mystérieuse étoile photographiée par le télescope James-Webb ?

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 2 septembre 2022

Le télescope James-Webb vient de livrer une image étonnante qui semble ne ressembler à rien de connu, mais qui en fait concerne un astreastre étudié depuis longtemps par les astrophysiciensastrophysiciens. Ils comptent percer avec lui certains des secrets de la création des poussières interstellairespoussières interstellaires à l'origine des systèmes planétaires.

Une photographie du James-Webb montrant WR 140. © Nasa, ESA
Une photographie du James-Webb montrant WR 140. © Nasa, ESA

Tout comme le télescope HubbleHubble, le James-Webb (JWST) peut apporter des contributions dans bien des questions d'astrophysiqueastrophysique et de cosmologiecosmologie. Elles ne se limitent pas à l'étude des premières galaxiesgalaxies ou à l'analyse de la composition chimique des atmosphèresatmosphères d'exoplanètesexoplanètes. On sait par exemple que la poussière interstellaire composant environ 1 % des nuagesnuages moléculaires denses et froids est un ingrédient clé dans la formation des étoiles et des planètes. Or il se trouve que les divers processus de production de cette poussière ne sont pas encore aussi bien compris que les cosmochimistes et astrophysiciens le voudraient.

C'est pourquoi, pour y voir plus clair, des programmes d'études des systèmes d'étoiles doubles connus sous le nom de binaires Wolf-Rayet (WR) à vents en collision sont déjà en cours avec le JWST. On sait que les systèmes WR 140 et WR 137 sont bien actuellement sous l'œilœil du télescope spatial James-Webb car ce sont des producteurs de poussière efficaces dans l'Univers local actuel et surtout, pense-t-on, des exemples représentatifs d'autres binaires à vents en collision qui existaient probablement dans les premières galaxies.

Une image prise par le JWST de WR 140 est actuellement sur le devant de la scène. Elle est spectaculaire et elle concerne un système binairesystème binaire déjà étudié avec le télescope Hubble et qui se trouve à environ 5.600 années-lumière du Système solaireSystème solaire dans la Voie lactée quand on regarde dans la direction de la constellation du Cygne.

La binaire est étudiée depuis des décennies. On sait donc depuis un moment que WR 140 est une étoile double massive comprenant une étoile Wolf-Rayet de type WC7 et une étoile O5, probablement une supergéante bleuesupergéante bleue. Les deux étoiles soufflent des vents stellaires rapides (environ 3.000 km/s) sous l'effet de la pression de radiationpression de radiation produite par des luminositésluminosités de 103 à 104 fois celle du Soleil. Ce qui entraîne donc des pertes de masse significative, environ 10-5 et 10-6 masses solaires/an.

Des bulles géantes de poussières

L'image en fausses couleurs du JWST, car prise dans l'infrarouge, exhibe les huit branches produites par le phénomène de diffractiondiffraction avec les miroirs du télescope (voir sur ce phénomène, l’ouvrage culte sur l’optique de Eugene Hecht). C'est donc un artefact, mais ce n'est pas le cas de la série d'arcs de cercle entourant la binaire centrale sur l'image.

Il s'agit de coquilles de gaz qui apparaissent comme des anneaux parce que les bords de ces coquilles, qui ne sont pas perpendiculaires à la vue de l'observateur, représentent le rayonnement de « colonnes » de matière plus épaisse sur la ligne de visée.

L'existence de ces coquilles n'est pas mystérieuse et on comprend comment elles sont produites périodiquement tous les 7,94 ans environ. Environ 20 anneaux sont visibles et, selon les astrophysiciens, le plus jeune est né en 2016. Mais comment le savent-ils ?


Cette animation montre la production de poussière dans le système stellaire binaire WR 140 lorsque l'orbite de l'étoile Wolf-Rayet se rapproche de l'étoile de type O et que leurs vents stellaires entrent en collision. Les vents plus forts de l'étoile Wolf-Rayet soufflent derrière l'étoile O, et de la poussière se crée dans son sillage lorsque le matériau stellaire mélangé se refroidit. Au fur et à mesure que le processus se répète, la poussière formera une coquille. © Nasa, ESA, et J. Olmsted (STScI)

La détermination des paramètres orbitaux des étoiles de WR 140 montre qu'elles sont sur des orbites respectives assez excentriquesexcentriques, de sorte qu'elles se rapprochent de façon conséquente en atteignant pour l'une d'elles son périastrepériastre (la distance la plus courte les séparant) environ tous les 7,94 ans justement.

La collision entre les vents stellaires produits par les deux astres est assez violente à ce moment-là, et naît alors une bulle de matière en expansion qui en se refroidissant va faire se condenser des poussières. Ce sont ces poussières qui chauffées par le rayonnement ultravioletultraviolet des deux jeunes étoiles massives vont se refroidir ensuite en rayonnant dans l'infrarouge, révélant au regard du JWST les coquilles en expansion. On peut ainsi voir des sortes de stratesstrates témoignant de l'histoire passée pendant 160 ans environ de la binaire.