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Jets symétriques dans les nébuleuses planétaires : on a enfin la recette

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Des astronomes utilisant le très grand télescope de l'ESO (VLT) ont découvert une paire d'étoiles en orbite l'une autour de l'autre au centre de l'un des plus remarquables exemples de nébuleuse planétaire. Cette nouvelle observation confirme une théorie longuement débattue sur l'origine de l'aspect spectaculaire et symétrique de la matière éjectée dans l'espace. Les résultats sont publiés dans l'édition du 9 novembre 2012 de la revue Science.

Cette nouvelle image du très grand télescope de l'ESO montre la nébuleuse planétaire Fleming I dans la constellation du Centaure. Cet objet surprenant est un nuage de gaz brillant autour d'une étoile en fin de vie. De nouvelles observations ont montré qu'une très rare paire de naines blanches occupe vraisemblablement le cœur de cet objet. Leurs mouvements orbitaux permettent parfaitement d'expliquer les remarquables structures symétriques des jets de matière dans les nuages de gaz avoisinants constituant cet objet et d'autres objets similaires. © ESO, H. Boffin

Les nébuleuses planétaires sont des enveloppes lumineuses de gaz autour de naines blanches - des étoiles semblables au Soleil au crépuscule de leur vie. Fleming I est un très bel exemple de nébuleuse constituée de surprenants jets symétriques qui dessinent des motifs incurvés et noueux. Elle se situe dans la constellation de l'hémisphère austral du Centaure et a été découverte il y a tout juste un siècle par Williamina Fleming, une ancienne femme de chambre ayant été recrutée par le Harvard College Observatory après avoir montré des aptitudes en astronomie.

Les astronomes se sont longtemps demandé comment ces jets symétriques pouvaient se former, sans toutefois parvenir au moindre consensus. Une équipe de recherche menée par Henri Boffin (ESO, Chili) a combiné de nouvelles observations de Fleming I effectuées à l'aide du très grand télescope (VLT) de l'ESO et des simulations numériques existantes afin d'expliquer en détail et pour la toute première fois l'origine de ces formes étranges. L'équipe a utilisé le VLT de l'ESO afin d'étudier la lumière en provenance de l'étoile centrale. Elle a découvert que Fleming I abrite en son centre non pas une mais deux naines blanches, en orbite l'une autour de l'autre en 1,2 jour.

Localisation de la nébuleuse planétaire Fleming I dans la constellation australe du Centaure. Cette carte montre la plupart des étoiles visibles à l'œil nu dans de bonnes conditions atmosphériques, et la localisation de la nébuleuse est précisée par un cercle de couleur rouge sur l'image. Cette nébuleuse planétaire est petite et peu brillante et ne peut être aperçue qu'à l'aide des plus grands télescopes amateurs. © ESO, IAU, Sky & Telescope

Quand les naines blanches font la paire

Des étoiles binaires ont déjà été découvertes au cœur de nébuleuses planétaires. Des systèmes constitués de deux naines blanches en orbite l'une autour de l'autre sont toutefois très rares. « L'origine des formes somptueuses et complexes de Fleming I et d'autres objets similaires a fait l'objet de controverses durant des décennies, nous dit Henri Boffin. Les astronomes avaient bel et bien envisagé l'existence d'un système binaire, mais dont les constituants auraient été très distants l'un de l'autre, caractérisés par une période orbitale de dizaines d'années voire plus. La combinaison de nos modèles et de nos observations nous a permis d'étudier ce système particulier dans les moindres détails et de découvrir la très grande proximité de la paire d'étoiles au cœur de la nébuleuse - des centaines de fois plus proches l'une de l'autre qu'on ne l'avait imaginé. »

Lorsqu'une étoile d'une masse allant jusqu'à 8 masses solaires atteint la fin de sa vie, elle expulse ses enveloppes externes et commence à perdre de la masse. Cela permet au chaud noyau interne de l'étoile de rayonner intensément, et au cocon de gaz s'échappant vers l'extérieur de briller, formant ainsi une nébuleuse planétaire. Tandis que les étoiles sont de forme sphérique, la plupart de ces nébuleuses planétaires sont de formes étonnamment complexes, constituées de nœuds, de filaments et d'intenses jets de matière formant des motifs complexes. Certaines des nébuleuses les plus spectaculaires - parmi lesquelles Fleming I - affichent des structures parfaitement symétriques. Dans le cas de cette nébuleuse planétaire, cela signifie que la matière s'échappe de chacun des pôles de la région centrale dans un flux en forme de S. Cette nouvelle étude révèle que les caractéristiques de Fleming I résultent de la forte interaction entre une paire d'étoiles. Étonnant chant du cygne d'un couple d'étoiles.

« Il s'agit là du cas le plus abouti d'un système binaire central pour lequel les simulations ont correctement prévu le dessin de la nébuleuse environnante - et de manière véritablement spectaculaire » nous explique le coauteur de l'étude, Brent Miszalski, du SAAO et du Salt (Afrique du Sud). L'existence d'une paire d'étoiles au cœur de cette nébuleuse est indispensable pour expliquer la structure que nous observons. À mesure que les étoiles ont vieilli, elles se sont dilatées, l'une s'est comportée en vampire stellaire, absorbant la matière de l'autre. La matière a été aspirée par le vampire, l'encerclant et formant ce que l'on appelle un disque d'accrétion. Les deux étoiles étant en orbite l'une autour de l'autre, elles ont interagi avec ce disque et l'ont transformé en une véritable toupie oscillante en rotation, un mouvement baptisé précession. Ce mouvement affecte le comportement de toute matière qui s'est échappée des pôles du système, y compris celle des jets de matière expulsée.

Cette étude confirme que les disques d'accrétion animés d'un mouvement de précession à l'intérieur de systèmes binaires sont responsables des aspects étonnamment symétriques des nébuleuses planétaires telles que Fleming I. Les images profondes du VLT ont également permis de découvrir l'existence d'un anneau constitué de nœuds de matière au sein de la nébuleuse interne. Un tel anneau de matière se rencontre également dans d'autres familles de systèmes binaires et semble constituer la signature révélatrice de la présence d'un couple stellaire. « Nos résultats soulignent l'importance de l'interaction entre paires d'étoiles dans la formation, et peut-être même l'origine, des nébuleuses planétaires » conclut Boffin.

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