Cette image montre quelques antennes d’Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) dans les Andes chiliennes sur le plateau de Chajnantor, à quelque 5.000 mètres au-dessus du niveau de la mer. À cette altitude, on peut apprécier presque toutes les nuits une vue limpide du cosmos, comme on peut le constater avec la Voie lactée. © Y. Beletsky (LCO)/ESO

Sciences

Le violent combat d'une étoile cannibale sous l'œil d'Alma

ActualitéClassé sous :Astronomie , Alison Sills , traînarde bleue

Que se passe-t-il lorsqu'une étoile dans un système binaire devient une géante rouge en fin de vie et avale son étoile compagne ? Les observations du radiotélescope Alma nous donnent des informations sur ce cannibalisme stellaire avec l'étoile HD101584.

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Les astronomes de l'ESO viennent de publier un article dans le célèbre journal Astronomy & Astrophysics (A&A) dans lequel ils expliquent que le regard perçant dans le domaine des ondes millimétriques de Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (Alma) complété de celui du télescope Apex (Atacama Pathfinder EXperiment) leur a permis d'identifier les restes d'une catastrophe stellaire survenue avec une étoile binaire du nom de HD101584. Les structures révélées par ces deux instruments indiquent qu'elles sont le produit d'un cannibalisme stellaire lorsque l'enveloppe dilatée d'une géante rouge a englouti son étoile compagne, de masse plus faible, et dont l'évolution était donc moins avancée selon la théorie de la structure stellaire.

Située dans la constellation du Centaure, HD101584 est donc une étoile de la Voie lactée, mentionnée comme son nom l'indique dans le fameux catalogue Henry Draper (HD) établi au début du XXe siècle par l'astronome Annie Jump Cannon et ses collègues du Harvard College Observatory. Il regroupe les données de plus de 225.000 étoiles dont les magnitudes apparentes vont jusqu'à 9 environ, couvre presque toute la voûte céleste et tire son nom d'un pionnier de l'astrophotographie, qui fut le premier à obtenir un spectre stellaire en 1872, celui de Véga. À sa mort, sa veuve avait financé la réalisation de ce catalogue, par la suite largement utilisé par les astronomes.

Grâce au Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l’Atacama (Alma) dont l’ESO est un partenaire, des astronomes ont repéré l’existence d’un nuage de gaz particulier, fruit de la rencontre entre deux étoiles. Cet ESOcast Light dévoile de nombreux détails de ce combat stellaire. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

Une géante rouge qui engloutit son étoile compagne

Les étoiles binaires, donc liées par la gravitation, sont nombreuses dans la Voie lactée où elles constituent même les deux tiers des étoiles. L'étude scientifique de ces étoiles a débuté depuis des siècles. Ainsi, Giovanni Battista Riccioli, astronome et jésuite italien à l'origine de la nomenclature de la face visible de la Lune, du temps de Galilée, avait déjà observé à la lunette le système d'étoiles Alcor et Mizar, dans la Grande Ourse. Il avait découvert que Mizar elle-même était en fait un système double, Mizar A et Mizar B.

Les progrès de l'astronomie concernant les étoiles binaires ont depuis été spectaculaires et les radiotélescopes nous montrent donc aujourd'hui ce qui s'est passé lorsque l'étoile compagne de la géante rouge de HD101584 a été avalée. Sous l'effet du frottement avec les couches de gaz, elle a commencé un mouvement en spirale qui l'a fait migrer de plus en plus proche de la géante, exerçant donc des forces de gravité de plus en plus importantes au point de l'obliger à expulser les couches de gaz externes de la géante. Cette dernière finit par exploser en dispersant ses enveloppes gazeuses externes, faisant apparaître son noyau, comme l'explique un communiqué de l'ESO.

Les astrophysiciens ont proposé ce scénario pour rendre compte des observations d'Alma et d'Apex dans lequel le mouvement en spirale de l'étoile de faible masse vers la surface de sa sœur plus massive a produit des jets de gaz (les étoiles binaires se forment en effet en même temps dans une pouponnière d'étoiles et l'on pense même que le Soleil en faisait temporairement partie d’une). En entrant en collision avec les enveloppes de gaz déjà expulsées par la géante rouge instable, ces jets ont provoqué l'apparition de structures en anneaux.

Cette nouvelle image acquise par Alma témoigne de l’issue d’un combat stellaire : une structure de gaz complexe et étonnante en périphérie du système binaire HD101584. Les couleurs représentent la vitesse, s’échelonnant du bleu – le gaz se déplaçant le plus rapidement dans notre direction – au rouge – le gaz s’éloignant le plus rapidement dans la direction opposée. Les jets situés le long de la ligne de visée propulsent la matière figurée en bleu ou rouge. Les étoiles de la binaire forment un seul et unique point brillant au sein de la structure annulaire colorée en vert, qui se déplace à la même vitesse que l’ensemble du système le long de la ligne de visée. Aux dires des astronomes, cet anneau trouve son origine dans la matière éjectée, alors que l’étoile de masse inférieure spiralait en direction de son compagnon, la géante rouge. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), Olofsson et al. Remerciements : Robert Cumming

Un laboratoire pour comprendre la fin du Soleil

Lorsque le Soleil deviendra à son tour une géante rouge, il engloutira Mercure et Vénus. On peut penser que l'étude de HD101584 nous donne des éléments de réponse quant aux phénomènes qui se produiront alors. Ainsi, toujours dans le communiqué de l'ESO, l'astronome Sofia Ramstedt de l'université d'Uppsala, Suède, coauteure de l'article publié dans A&A explique que : « Aujourd'hui, nous sommes en mesure de décrire les phases finales communes à de nombreuses étoiles de type Soleil. Toutefois, nous ne connaissons pas la raison pour laquelle ni le processus exact grâce auquel cela se produit. Parce qu'elle se situe précisément dans cette courte phase de transition entre des stades d'évolution mieux étudiés, HD101584 nous offre d'importantes clés de compréhension de ces processus. Les images détaillées de l'environnement de HD101584 nous permettent d'établir un lien entre l'étoile géante qu'elle était auparavant et le vestige stellaire qu'elle sera prochainement. »

Lorsque l'ELT (Extremely Large Telescope) de l'ESO, actuellement en construction dans le désert de l'Atacama au Chili verra sa première lumière, il devrait avoir un pouvoir de résolution suffisant pour nous montrer les deux étoiles encore présentes et qui forment l'étoile binaire HD101584.

Sur cette carte figure la localisation de HD101584, un nuage de gaz situé en périphérie d’un système binaire ayant fait l’objet d’une étude récente au moyen d’Alma et d’Apex, dans la constellation du Centaure. Cette carte mentionne la plupart des étoiles visibles à l’œil nu dans de bonnes conditions d’observation. L'étoile HD101584 est entourée d’un cercle de couleur rouge. © ESO, IAU and Sky & Telescope
  • Les étoiles binaires sont plus nombreuses que les étoiles simples dans la Voie lactée. HD101584 est une de ces étoiles binaires mais elle est un peu particulière.
  • L'une des composantes est une géante rouge qui a avalé, en dilatant ses couches externes, sa compagne moins massive.
  • Le nuage de gaz résultant de ce cannibalisme a une structure en anneaux bien visible dans le domaine des ondes millimétriques du radiotélescope Alma.
  • Il donne des renseignements sur la fin des étoiles comme le Soleil.
Pour en savoir plus

En devenant cannibales, les étoiles retrouvent une seconde jeunesse...

Article de Laurent Sacco publié le 20/01/2009

L'anomalie était connue depuis 55 ans, les blue stragglers, ce que l'ont peut traduire en français par traînardes bleues, sont des étoiles massives ressemblant à de jeunes étoiles mais que l'on trouve dans les amas globulaires âgées de plusieurs milliards d'années. Deux théories s'affrontaient pour expliquer ce paradoxe. Aujourd'hui, il semble clair que ces astres curieux résultent de la fusion des deux étoiles d'un système binaire.

Maintenant bien rôdée, la théorie de l'évolution stellaire repose sur les travaux des pionniers de la structure stellaire qu'étaient Chandrasekhar et Martin Schwarzschild. Le flot de données astrophysiques obtenues depuis la seconde moitié du XXe siècle n'a jamais démenti cette théorie, bien au contraire. On sait ainsi que plus une étoile est massive plus elle brille et moins elle dure longtemps. Des étoiles d'environ 10 masses solaires au moins sont chaudes et apparaissent de couleur bleue à l'observation. On les trouve en particulier dans les pouponnières d'étoiles, les amas ouverts et leurs durées de vie sont inférieures à 100 millions d'années.

Or, des étoiles bleues ont été découvertes en 1953 dans l'amas globulaire M3 par le célèbre astronome Allan Sandage. Pourtant, les amas globulaires sont constitués d'étoiles vieilles, pauvres en éléments lourds comme le carbone et peu massives. On date leur formation à plus de 10 milliards d'années. Toutes leurs étoiles sont nées à peu près en même temps et il n'y aucun signe de l'existence de pouponnières d'étoiles dans les amas globulaires. Que faisaient donc ces étoiles apparemment jeunes, que l'on a alors baptisées blue stragglers (BSS) ?

On connaît 21 blue stragglers dans l'amas globulaire 47 Tucanae qui contient plusieurs millions d'étoiles dans un volume sphèrique de 120 années-lumière de diamètre seulement. L'âge de ces étoiles est de 13,5 +/- 2 milliards d'années. © M. Shara (STScI), R.A. Safer (Villanova), M. Livio (STScI), WFPC2, HST, Nasa

Toutefois, les astrophysiciens savaient bien que la majorité des étoiles vivent en couple et que des transferts de masses dues aux forces de marée s'y produisent parfois. En outre, la densité d'étoiles dans le cœur d'un amas globulaire est telle que les chances d'une collision entre étoile y sont considérablement plus élevées que dans une galaxie, où elles sont négligeables pour ne pas dire nulles.

Deux vieilles donnent une jeune

Deux scénarios principaux avaient donc été proposés, qui faisaient de certaines étoiles dans un amas globulaire de véritables cannibales.

Par collision directe ou par fusion au sein d'un système binaire (probablement à enveloppe commune), deux étoiles vieilles et rouges s'agglutineraient parfois pour donner une étoile plus massive et plus chaude montrant tous les aspects de la jeunesse. De fait, la masse d'une BBS est en général deux à trois fois plus élevée qu'une étoile moyenne d'un amas.

Les Blue Stragglers sont nettement visibles sur cette image de l'amas globulaire NGC 6397 à 6.000 années-lumière. © J.F. Sepinsky, et al. (Villanova University), Nasa

La théorie de fusion de deux étoiles binaires semble avoir gagné, d'après des travaux publiés dans un article de Nature par trois astronomes Christian Knigge, de l'université de Southampton, Alison Sills et Nathan Leigh de l'université de McMaster.

Ils ont étudié les propriétés des BSS dans un échantillon de 56 amas globulaires contenant chacun de 100.000 à un million d'étoiles environ. Il se trouve que plus le cœur d'un amas est massif plus il contient de systèmes binaires.. et de BBS ! Exactement comme le prédit la théorie de la fusion dans les binaires et en désaccord avec les estimations de la théorie des collisions.

Toutefois, certaines BSS font partie de binaires à courtes périodes et on peut donc penser que dans ce cas, le transfert de masse n'a pas conduit à la fusion des étoiles. On ne peut pas non plus écarter l'idée que l'influence du passage proche d'une troisième étoile intervient dans le processus de fusion. L'étude des BSS se poursuit et l'on devrait en apprendre plus sur leur processus de genèse dans les années à venir.

Schéma des deux théories expliquant la formation des traînardes bleues. À gauche la collision et à droite la fusion de binaire en contact. Des étoiles rouges vieilles donnent donc une seule étoile bleue ressemblant à une jeune étoile. © R. Saffer (Villanova University), D. Zurek (STScI), Nasa
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