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L'ultime baiser de deux étoiles massives avant la catastrophe finale

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À 160.000 années-lumière de la Terre, dans la pépinière d'étoiles la plus active de l'univers proche, au cœur de la Nébuleuse de la Tarentule, les deux étoiles VFTS 352, entraînées dans leur dernière danse, figurent parmi les plus extrêmes et les plus étranges jamais découvertes.

Cette vue d’artiste montre VFTS 352, le système d’étoiles doubles le plus chaud et le plus massif connu à ce jour, dont les composantes, très proches l'une de l'autre, s'échangent de la matière. Un spectacle rarissime repéré dans le Grand Nuage de Magellan. © Eso, L. Calçada

VFTS 352 se compose de deux étoiles de type O, très chaudes, brillantes et massives (entre 15 et 80 masses solaires) qui gravitent l'une autour de l'autre en un peu plus de 24 heures. Leurs centres sont distants d'à peine 12 millions de kilomètres. Les étoiles sont en réalité si proches l'une de l'autre que leurs surfaces se chevauchent et sont reliées par un pont de matière. VFTS 352 n'est pas seulement le représentant le plus massif de la classe réservée des « binaires en contact » - au total, sa masse avoisine les 57 masses solaires -, il est également constitué des étoiles les plus chaudes connues à ce jour : les températures de surface dépassent les 40.000 °C.

De telles étoiles extrêmes jouent un rôle déterminant dans l'évolution des galaxies et sont censées être les principaux producteurs d'éléments chimiques tel l'oxygène. Des étoiles doubles de ce type arborent par ailleurs des comportements étranges, voire exotiques. Citons, à titre d'exemple, les « étoiles vampires », ces compagnons stellaires de modestes dimensions qui aspirent la matière située à la surface de leurs voisines de dimensions plus élevées.

La croix rouge au centre indique la position de la paire d’étoiles très chaudes et massives VFTS 352 au sein de la vaste nébuleuse de la Tarentule dans le Grand Nuage de Magellan, galaxie naine voisine de 160.000 années-lumière de la Terre. Cet étrange système de « binaires en contact » s’achemine certainement vers une fin dramatique : soit la fusion en une unique étoile géante, soit la formation d’un trou noir binaire. Image composite acquise dans le visible par la caméra à grand champ du télescope MPG/ESO de 2,2 mètres à La Silla et dans l’infrarouge avec le télescope Vista de 4,1 mètres, au sommet du mont Paranal. © Eso, M.-R. Cioni, Vista Magellanic Cloud survey

Deux étoiles qui se mélangent

Dans le cas de VFTS 352 toutefois, les deux étoiles sont de semblables dimensions. En conséquence, la matière n'est pas aspirée par l'une ou l'autre, mais plutôt partagée (ces régions stellaires périphériques ont été baptisées lobes de Roche). Il semble qu'elles mutualisent quelque 30 % de leur capital matériel.

Observer un tel système est extrêmement rare car cette phase stellaire est particulièrement éphémère. Les étoiles sont si proches l'une de l'autre que, de l'avis des astronomes, d'importants effets de marée devraient précipiter le mélange de matière au sein des intérieurs stellaires.

« VFTS 352 constitue à ce jour le système d'étoiles doubles chaudes et massives où le mélange interne va le plus loin, explique Leonardo A. Almeida de l'université de Sao Paulo au Brésil, auteur principal de cette étude publiée dans The Astrophysical JournalÀ ce titre, il constitue une découverte fascinante et importante à la fois. »

Animation du système VTFS 352. Quel sera le sort de ces deux étoiles très chaudes et massives ? © Eso, L. Calçada

Quelle fin ? Sursaut gamma ou paire de trous noirs ?

Les astronomes pensent que VFTS 352 s'achemine vers une issue fatalement tragique. Le premier scénario stipule que les deux protagonistes fusionneront, pour former une étoile géante, peut-être magnétique, animée d'une rotation rapide. « Dans l'éventualité où cette rotation rapide se poursuivrait, elle achèverait son existence sous la forme de l'une des explosions les plus énergétiques de l'Univers, soit un sursaut gamma de longue durée », précise Hugues Sana de l'université de Leuven en Belgique, principal investigateur du projet.

Selma de Mink de l'université d'Amsterdam, principal théoricien de l'équipe, expose le second scénario possible : « Si le mélange des deux intérieurs stellaires s'avère suffisant, l'une et l'autre étoile demeureront compactes et le système VFTS 352 devrait échapper à la fusion. Alors, la trajectoire évolutive des deux objets différera notablement des scénarii classiques d'évolution stellaire. Les deux composantes de VFTS 352 devraient achever leurs existences en explosions de supernovae puis évoluer vers un système binaire de trous noirs rapprochés. Un objet si remarquable devrait constituer une importante source d'ondes gravitationnelles. »

Prouver l'existence de ce second chemin évolutif constituerait une véritable percée dans le domaine de l'astrophysique stellaire. Mais quel que soit le destin de VFTS 352, ce système a d'ores et déjà offert aux astronomes de précieuses informations sur les processus évolutifs des systèmes binaires constitués d'étoiles massives au contact l'une de l'autre.

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