Une vue d'artiste d'une paire d'étoiles au début d'une phase d'enveloppe commune. Nous avons une vue de très près d'un système binaire dans lequel deux étoiles viennent de commencer à partager la même atmosphère. La plus grande étoile, une étoile géante rouge, a créé une atmosphère immense. La plus petite étoile orbite de plus en plus vite autour du centre de masse des étoiles, tournant sur son propre axe et interagissant de façon spectaculaire avec son nouvel environnement. L'interaction crée des jets puissants qui projettent du gaz depuis ses pôles et un anneau de matière se déplaçant plus lentement à son équateur. © Danielle Futselaar
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Les étoiles qui avalent d'autres étoiles sous le regard d'Alma

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L'une des voies évolutives stellaires les plus mal comprises est celle des systèmes binaires en évolution à enveloppe commune, lorsque l'enveloppe d'une étoile géante engloutit l'orbite d'un compagnon. Des observations faites avec le réseau de radiotélescopes Alma au Chili nous aident désormais à mieux comprendre ce phénomène.

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La majorité des étoiles dans la Voie lactée sont des étoiles doubles et majoritairement aussi ce sont des naines rouges à longue durée de vie. Il existe cependant des cas de systèmes triples et même quintuples. Mieux, on connaît l'exemple d'Alcor et Mizar qui forment un système triplement binaire. On explique la formation de ces systèmes multiples à partir de la fragmentation d'un unique nuage moléculaire et poussiéreux s'effondrant gravitationnellement. On obtient ainsi un amas ouvert de jeunes étoiles dont certaines sont plus massives que le Soleil et vont évoluer rapidement en quelques millions d'années seulement pour donner des étoiles à neutrons ou des trous noirs.

On a des raisons de penser que notre Soleil lui-même faisait partie d’un système double faiblement lié gravitationnellement comme d'autres que l'on observe de nos jours. Il aurait donc un frère jumeau, ou une sœur jumelle, quelque part dans la Voie lactée en plus d'autres frères et sœurs dispersées depuis des milliards d'années, une fois dispersé également l'amas ouvert de centaines d'étoiles où ces astres sont nés.

L'évolution stellaire peut faire en sorte que l'étoile la plus massive dans un système binaire va se mettre à gonfler jusqu'à déborder ce que l'on appelle le lobe de Roche, du nom du mathématicien et astronome français qui s'est occupé de ces questions. Les forces de marée de son étoile compagne vont donc attirer de la matière de cette étoile en l'accrétant. Si l'étoile compagne est une étoile à neutrons ou un trou noir, on va avoir une source de rayons X.

Sur ces schémas, on voit les lobes de Roche de deux étoiles formant un système binaire. Ces lobes sont des surfaces d'équipotentielles du champ de gravitation commun et lorsqu'une des étoiles se met à gonfler, elle se déformera pour adopter une forme d'équilibre ou sa surface épouse celle des lobes si elle se dilate suffisamment. Un flot de gaz peut passer de l'une à l'autre et on a une binaire en contact si les deux lobes de Roche sont occupés. Lorsque le gaz commun déborde largement les deux lobes, on a une binaire à enveloppe, à ne pas confondre avec une binaire à contact. © Philip D. Hall Wikipédia, CC by-sa 3.0

Des laboratoires pour comprendre l'évolution des binaires à enveloppe commune

Une variante des binaires à contact sont les binaires à enveloppe commune. Il n'existe plus qu'une seule enveloppe de gaz pour les deux étoiles, enveloppe qui va au-delà de leurs lobes de Roche. Une équipe internationale d'astronomes, menée par les membres de la Chalmers University of Technology (CUT) en Suède, a récemment étudié ce genre de binaire avec le réseau de radiotélescopes Alma au Chili, comme le précise un article publié à ce sujet dans le célèbre journal Nature Astronomy.

Les chercheurs y expliquent que « l'une des voies évolutives stellaires les plus mal comprises est celle des systèmes binaires en évolution à enveloppe commune, lorsque l'enveloppe d'une étoile géante engloutit l'orbite d'un compagnon. L'interaction qui s'ensuit conduit à une grande variété de systèmes astrophysiques et de phénomènes associés, mais se produit sur une échelle de temps très courte ».

Cette situation est en train de changer grâce aux observations d'Alma concernant 15 étoiles dans la Voie lactée qui avaient attiré l'attention des chercheurs en raison du fait qu'elles émettaient un intense rayonnement associé à la signature spectrale des molécules d'eau, au point que ces étoiles elles-mêmes avaient été surnommées des « fontaines d'eau ».

« Nous étions très curieux à propos de ces étoiles car elles semblaient souffler des quantités de poussière et de gaz dans l'espace, certaines sous la forme de jets avec des vitesses allant jusqu'à 1,8 million de kilomètres par heure. Nous avons pensé que nous pourrions trouver des indices sur la façon dont les jets étaient produits, mais au lieu de cela, nous avons trouvé bien plus », explique dans un communiqué de la CUT l'astrophysicien Theo Khouri, premier auteur de l'article publié.

Les astrophysiciens se sont penchés en particulier sur les signatures spectrales des molécules de monoxyde de carbone (CO) possédant des isotopes de carbone et d'oxygène différents. On sait de longue date, et c'est particulièrement simple à démontrer théoriquement avec les équations de la mécanique quantique dans le cas de l'atome d'hydrogène et de ces isotopes (dont le deutérium), que ces signatures ne sont pas les mêmes.

Les astrophysiciens ont relié ces mesures en particulier avec les isotopes de l'oxygène à la nature des étoiles observées qui se sont toutes révélées des étoiles doubles mais dont chaque étoile était en train de perdre ses couches externes très rapidement de sorte qu'elles avaient chacune éjecté environ 50 % de leur masse en quelques centaines d'années alors qu'elles possédaient initialement environ une à quelques masses solaires chacune.

Le scénario invoqué pour expliquer ces observations, c'est que ces étoiles étaient encore tout récemment, au cours des quelques centaines d'années précédentes dans un état où elles avaient une enveloppe commune justement. On dispose donc maintenant d'un laboratoire pour étudier des effets de la phase de l'évolution stellaire où les couches d'une étoile enveloppent une autre étoile.

C'est particulièrement intéressant puisque ce processus doit intervenir dans la résolution d'énigmes concernant les explosions de supernovae (on peut penser aux objets de Thorne-Żytkow), mais aussi selon les chercheurs avec les événements menant à des collisions de trous noirs, aux nébuleuses planétaires des étoiles en fin de vie, et y compris dans le futur du Système solaire lorsque notre Soleil se transformera en géante rouge, avalant Mercure, Vénus et peut-être la Terre.

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