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On comprend mieux la formation des étoiles binaires

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La théorie de la formation des étoiles binaires est controversée. Ce qui est sûr, c'est qu'elle fait intervenir l'effondrement gravitationnel d'un nuage moléculaire. De récentes observations menées notamment avec les radiotélescopes du Very Large Array (VLA) soutiennent pourtant le modèle faisant naître une seconde étoile dans le disque entourant une protoétoile déjà en cours de formation.

Vue d'artiste d'un disque de matière en rotation autour d'une protoétoile. En zoomant, on découvre qu'il existe en réalité une seconde protoétoile en formation, apparue dans le disque entourant la première. Les étoiles doubles naisseraient bien ainsi. L'échelle est donnée en unités astronomiques (UA, ou AU en anglais), c'est-à-dire la distance du Soleil à la Terre. © Bill Saxton, NRAO, AUI, NSF

La formation des étoiles et des planètes est comprise dans les grandes lignes. Mais lorsqu'on cherche à mieux comprendre les processus d'effondrement gravitationnel des nuages moléculaires ou ceux d'accrétion de matière menant des poussières aux planètes, de multiples questions se posent, pour lesquelles on n'a parfois aucune réponse. Dernièrement pourtant, Alma a fourni des observations qui ont fortement consolidé un modèle avancé en 1995 par Pierre Barge et Joël Sommeria, permettant de comprendre comment il était possible de franchir la fameuse « barrière du mètre » dans les disques protoplanétaires.

Aujourd'hui, ce sont d'autres radiotélescopes, Carma (Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy) et le VLA, qui apportent des éléments en faveur d'un modèle expliquant la formation des étoiles binaires. Ces résultats sont importants, car la majorité des étoiles dans la Voie lactée sont des systèmes binaires, voire multiples, comme l'illustre le cas récent de Fomalhaut, qui est même un système triple. Dit autrement, on doit généralement observer un double coucher de soleil sur une exoterre habitable.

Le nuage moléculaire de Céphée s'étend sur quelques années-lumière. Il est plus connu en anglais sous le nom de Cepheus Flare, et il contient d'intéressantes nébuleuses. C'est un lieu de formation de protoétoiles. © Giovanni Benintende

Champs magnétiques et effondrement gravitationnel

Pour rendre compte de l'existence des étoiles binaires, un des modèles proposés faisait intervenir un disque de matière stabilisé par sa rotation autour d'une protoétoile en cours de formation. C'est dans ce disque que des instabilités provoqueraient l'effondrement gravitationnel de la matière pour former une seconde protoétoile accrétant de la matière en même temps que sa compagne.

Malheureusement, il n'y a pas que la gravitation, la conservation du moment cinétique et la pression thermique qui interviennent dans l'effondrement du cœur dense d'un nuage moléculaire. Les champs magnétiques jouent aussi, en particulier lorsque la matière s'échauffe et devient ionisée en formant du plasma lors du processus d'effondrement. Ils posent des difficultés dans le cas de la formation d'un disque de matière soutenu par sa rotation par exemple.

Rien n'oblige à explorer la formation des étoiles binaires uniquement par des moyens théoriques (analytiques ou par des simulations numériques puissantes). Les instruments modernes à la disposition des astrophysiciens leur permettent d'observer de très jeunes protoétoiles et de tenter de détecter des disques pouvant éventuellement contenir une autre protoétoile en formation. C'est bien ce que montrent les travaux des astrophysiciens ayant utilisé Carma et le VLA, comme on peut le constater en lisant l'article qu'ils ont déposé sur arxiv à propos d'observations réalisées dans le fameux nuage moléculaire de Céphée (Cepheus Flare en anglais).

Protoétoiles binaires dans des disques

Deux protoétoiles, L1165-SMM1 et CB230 IRS1, se sont révélées avoir bel et bien chacune un disque de matière dans lequel se trouvait une autre protoétoile encore inobservée. La présence et la position de ces disques avaient été inférées par l'existence de jets de matière dans le cas des deux protoétoiles. Ces jets nécessitent des disques d'accrétion auxquels ils sont perpendiculaires.

La théorie de l'origine des étoiles binaires par fragmentation d'un disque existant autour d'une première protoétoile avait déjà bénéficié de quelques observations en sa faveur. En 2006, le VLA avait permis de découvrir l'existence de deux disques autour de deux jeunes étoiles qui étaient dans le même plan. Il ne reste plus aux théoriciens qu'à affiner leurs modèles afin de comprendre pourquoi les disques se forment facilement malgré les champs magnétiques dans les nuages moléculaires en cours d'effondrement.

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