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Les amas globulaires étaient peut-être 20 fois plus massifs autrefois

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Depuis quelques années, on découvre que les amas globulaires sont plus complexes qu'on le croyait. Leur composition chimique et leur histoire constituent encore des énigmes. Un groupe international de chercheurs issus de l'université de Genève, du CNRS et de l'institut Max-Planck vient de proposer un nouveau scénario évolutif pour tenter de les résoudre.

Cette image a été prise à l'aide du télescope de 2,2 mètres MPG/ESO qui équipe l'observatoire de l'ESO à La Silla au Chili. Elle montre NGC 6388, un amas globulaire de la Voie lactée, âgé de plus de 10 milliards d'années. © F. Ferraro, université de Bologne, ESO

Les amas globulaires sont des concentrations sphéroïdales très denses de quelques centaines de milliers d'étoiles en moyenne, qui se sont formés dans les premiers milliards d'années de l'histoire de l'univers observable. L'un des plus célèbres est l'amas d'Hercule (M13), vers qui le fameux message d'Arecibo a été envoyé en 1974.

Leurs tailles sont comprises entre plusieurs dizaines et plusieurs centaines d'années-lumière. On les observe autour de toutes les galaxies, qu'elles soient spirales, elliptiques ou lenticulaires. Leur étude est ancienne et ils ont joué un rôle décisif en astronomie. C'est grâce aux amas globulaires de la Voie lactée que l'astronome Harlow Shapley a pu déterminer la taille de notre galaxie et la position qu'y occupait le Soleil. Il lui fallut quatre ans de travail à partir de 1914 pour arriver à son but.

De nos jours, l'étude des amas globulaire se poursuit. On en connaît presque 200 autour de la Voie lactée, on en a repéré environ 500 autour de la galaxie d'Andromède et pas loin de 15.000 autour du monstre qu'est la galaxie elliptique M87.

Des amas globulaires chimiquement inhomogènes

Or, les observations récentes réalisées au moyen du Very Large Telescope de l'Eso et d'Hubble sont venues contredire l'image que l'on avait des amas globulaires. Tout indiquait qu'ils étaient constitués d'étoiles anciennes formées à une époque où, dans le jeune univers, peu d'éléments lourds avaient été synthétisés par les premières étoiles. Contrairement aux galaxies, les amas globulaires semblaient ne pas avoir évolué chimiquement et donc ne pas avoir été le siège de multiples générations d'étoiles.

Cet amas lumineux d'étoiles est 47 Tucanae (NGC 104). Il se trouve à environ 15.000 années-lumière de la Terre, et contient des millions d'étoiles dont certaines très exotiques et peu communes. Cette image a été réalisée par le télescope Vista (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) de l'ESO, depuis l'observatoire de Cerro Paranal, dans le désert d’Atacama au Chili. © M.-R. Cioni, Vista Magellanic Cloud survey, ESO

Or, cette explication est maintenant remise en cause, car on détecte dans les amas globulaires des étoiles présentant des compositions chimiques très variées, en particulier des anomalies très fortes en sodium et en oxygène. Pour expliquer ces anomalies, un groupe international de chercheurs issus de l'université de Genève (Unige), du CNRS et de l'institut Max-Planck, vient de publier sur arxiv un article introduisant un scénario d'évolution pour les amas globulaires avec de multiples générations stellaires.

Ce scénario avance que dans les régions les plus centrales des amas, des étoiles massives particulières ont existé. Lieux d'une nucléosynthèse active, elles étaient instables du fait de leurs vitesses de rotation proches de la vitesse de rupture limite. Du fait de cette instabilité, elles auraient éjecté de la matière, notamment riche en sodium, influençant ainsi la composition du milieu interstellaire dans les amas et permettant la formation de nouvelles étoiles.

Le souffle du rayonnement des astres compacts accréteurs

Les trous noirs et les étoiles à neutrons résultants de la mort des étoiles massives auraient aussi rapidement conduit à l'expulsion du gaz interstellaire des amas, entraînant au passage l'éjection d'une grande partie des étoiles de faibles masses des amas globulaires. Ceux-ci auraient en fait été 20 à 30 fois plus massifs que ce que l'on observe aujourd'hui, d'après les estimations des astrophysiciens.

Si ces chercheurs ont raison, cela signifie qu'une grande fraction des étoiles anciennes du halo de la Voie lactée faisait partie d'amas globulaires. Ces étoiles pourraient être identifiées grâce aux observations de la mission spatiale de l'Esa (Agence spatiale européenne) nommée Gaia. Elle devrait être lancée fin 2013.

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