Une vue d'artiste d'une étoile qui deviendra une naine blanche de masse extrêmement faible. © M.Weiss, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
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L'énigme des étoiles plus vieilles que l'Univers semble résolue

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[EN VIDÉO] Mission Gaia : la Voie lactée bientôt cartographiée  La mission Gaia de l'ESA a mesuré les positions et les vitesses d'un milliard d'étoiles dans la Voie lactée. Cela va permettre de reconstituer l'histoire de notre Galaxie, de mieux connaître sa structure mais aussi de partir à la chasse à la matière noire et aux exoplanètes. 

Les étoiles évoluent d'autant plus vite qu'elles sont massives et inversement. La théorie qui explique ce fait permet aussi de les dater, or elle conduisait à donner un âge nettement plus élevé que celui de l'Univers observable dans le cas de certaines étoiles. La solution de cette énigme implique un scénario qui vient de passer victorieusement des tests.

Les pionniers de l'astrophysique du XXe siècle sont à l'origine d'une théorie de la structure stellaire déjà bien développée avant la seconde guerre mondiale. Elle a été affinée par les progrès de l’astrophysique nucléaire après cette guerre et avec la montée en puissance des ordinateurs et des méthodes de l'analyse numérique. Elle permet enfin de penser et de décrire l'évolution des étoiles. Celle-ci va dépendre en premier lieu de leurs masses.

Les calculs permettent alors d'estimer en combien de temps une étoile va devenir une naine blanche ou se transformer en supernova par exemple, bien qu'aucune date précise ne puisse être avancée. Toute l'histoire de l'astrophysique stellaire de la seconde moitié du siècle dernier a montré que la théorie de la structure et de l'évolution stellaire était remarquablement performante. C'est donc avec une grande surprise que des astrophysiciens ont constaté qu'appliquée à certaines naines blanches de faible masse, elle conduisait à leur attribuer un âge supérieur à celui de l'Univers observable pourtant bien établi, en combinant différentes observations comme celles concernant le rayonnement fossile par le satellite Planck.

Le modèle cosmologique standard étant lui aussi remarquablement confirmé, même si l'on est confronté actuellement à l’énigme des discordances des estimations de la fameuse constante de Hubble-Lemaître qui donne également une estimation de l'âge du cosmos observable, les astrophysiciens ont cherché un moyen d'expliquer pourquoi ces naines blanches semblaient contredire soit la théorie de l'évolution stellaire, soit la cosmologie. De fait, une solution possible avait été trouvée.

On sait que les étoiles, au moins dans la Voie lactée, sont le plus souvent en couple dans des systèmes binaires. Il peut arriver lors de l'évolution des astres de ces couples que l'un se mette à arracher à l'autre de la matière via des forces de marée gravitationnelles.

Environ 97 % des étoiles de la Voie lactée deviendront des naines blanches et celles qui posent problème ont des masses inférieures à 0,3 masse solaire, on les appelle en anglais des extremely low mass (ELM) white dwarf, ce qui peut se traduire par « naine blanche de masse extrêmement faible ». Les naines blanches de type ELM, même si elles sont rares, se trouvent précisément parmi les systèmes binaires et pour autant qu'on le sache uniquement dans ces systèmes.

Le scénario envisagé pour résoudre l'énigme des étoiles plus vieilles que l'Univers est alors le suivant.

Tout commence avec des étoiles sur la séquence principale auxquelles une naine blanche classique arrache de la matière. D'ordinaire, on parle de tels systèmes en termes d'étoiles variables cataclysmiques (CV en anglais). On en connaît actuellement plus de 1.600 exemples dans la Voie lactée et elles ont une période orbitale comprise typiquement entre 80 minutes et 12 heures.

La première partie de cette animation montre un scénario similaire mais pas identique à celui de la formation d'une naine blanche de type ELM. La seconde partie est conforme au scénario d'une supernova SN Ia. © CAASTRO, Swinburne Astronomy Productions

Des étoiles à l'évolution accélérée par des forces de marée

Il peut arriver que l'accrétion de la matière sur la naine blanche déclenche des réactions thermonucléaires conduisant à une violente explosion mais ne conduisant pas à la destruction de l'étoile, de sorte qu'une nouvelle explosion pour les mêmes raisons peut survenir plus tard. Il s'agit de ce qu'on appelle une nova pour ce type d'explosion.

Mais il peut arriver aussi que l'accrétion de matière soit suffisante pour que la masse de la naine blanche dépasse la fameuse limite de Chandrasekhar, environ 1,4 masse solaire. L'étoile n'est plus stable, elle s'effondre, des réactions thermonucléaires s'engendrent mais bien plus violentes, de sorte que l'explosion résultante détruit toute l'étoile. C'est une supernova de type SN Ia.

Les naines blanches exotiques de type ELM seraient alors initialement des étoiles sur la séquence principale mais la naine blanche compagne ne commencerait à arracher de la matière que tard dans la vie de l'étoile, au moment où elle commence à brûler son cœur d'hélium alors que la base de l'enveloppe d'hydrogène entourant ce cœur est aussi le siège de réactions de fusion thermonucléaire.

À un moment, la future naine blanche de type ELM cesse d'être la victime de sa naine blanche car le transfert de matière s'arrête. Il ne reste plus qu'une étoile de masse inférieure à 0,3 masse solaire qui va finir par se transformer en naine blanche. On obtient alors un astre qui mettrait plus de temps que par la voie normale pour se former avec une telle faible masse (plus la masse d'une étoile est élevée, plus elle évolue rapidement et inversement).

Aujourd'hui, ce scénario vient d'être testé par une équipe d'astrophysiciens ayant utilisé plusieurs instruments comme le télescope Shane à l'Observatoire Lick en Californie ainsi que les données de la mission Gaia, comme l'explique une publication dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv.

Les astrophysiciens ont effectivement observé des dizaines d'étoiles déformées par des forces de marée et ayant les caractéristiques attendues d'étoile en transition de la séquence principale vers l'état final de naine blanche de type ELM, c'est-à-dire lorsque l'étoile a perdu la majeure partie de sa masse et s'est presque contractée en une naine blanche ELM.

L'énigme semble donc résolue.

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