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Grâce aux naines blanches, voici venir l'archéologie des exoplanètes

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Les atmosphères de certaines naines blanches contiennent des quantités anormalement élevées d'éléments lourds qui auraient dû sombrer depuis longtemps à l'intérieur de ces étoiles. Deux hypothèses ont été proposées : des apports continuels issus de vestiges de cortèges planétaires ou bien la manifestation de la pression du rayonnement dans ces atmosphères, maintenant en quelque sorte en lévitation ces éléments lourds. Il semble aujourd'hui que la première hypothèse soit la bonne, ce qui permettrait de faire de l'archéologie planétaire.

Une vision d'artiste d'un disque de débris autour d'une naine blanche. Des poussières et des petits corps célestes seraient responsables d'une accrétion de matière sur l'étoile, maintenant dans son atmosphère des éléments lourds comme le fer et le silicium. © Nasa, Esa, STScI, G. Bacon (STScI)

Les étoiles dont la masse est inférieure à 8 fois celle du Soleil sont destinées à finir leur vie sous forme de naines blanches. Elles n'exploseront pas en donnant des supernovae SN II. En revanche, elles pourront donner des SN Ia si elles font partie d'un système binaire. La théorie de la structure et de l'évolution stellaire nous dit que les naines blanches contiennent beaucoup de carbone et d'oxygène mais que leurs atmosphères sont largement dominées par l'hydrogène et l'hélium.

L'explication de ce phénomène est simple et elle a été donnée dans les années 1940 par l'astrophysicien français Evry Schatzman. Les naines blanches sont des objets très compacts, dont la gravité de surface est très élevée. Elles ne sont plus le siège de mouvement de convection mais d'un phénomène de « triage gravitationnel », de sorte que les éléments légers se retrouvent à la surface de l'étoile alors que les éléments lourds plongent vers l'intérieur.

Trop de fer et de silicium dans certaines naines blanches

Toutefois, on a constaté depuis quelques décennies que des éléments lourds, dit aussi métalliques dans le langage des astrophysiciens (c'est-à-dire autre que l'hydrogène et l'hélium), sont tout de même repérables par spectroscopie dans les atmosphères des naines blanches. Deux théories ont été proposées pour expliquer ces quantités anormales de carbone, de fer et de silicium.

La première fait intervenir la pression du rayonnement des naines blanches dont les températures de surface sont parfois très élevées, atteignant plusieurs dizaines de milliers de kelvins. Dans ces conditions, certains éléments lourds peuvent être maintenus en quelque sorte en lévitation dans l'atmosphère de ces étoiles.

Autour d'une naine blanche, certaines des planètes tournant autour d'elle peuvent avoir survécu à la phase géante rouge de cette étoile. Comme le montre cette image d'artiste, la naine blanche serait entourée d'un disque de débris et d'exoplanètes restantes. © Nasa-JPL / Caltech / T. Pyle (SSC)

La deuxième théorie a pris du poids et de l'importance au fur et à mesure que l'on a découvert les exoplanètes. Comme le phénomène de formation planétaire paraît désormais universel ou presque dans la Voie lactée, on peut imaginer que ces éléments lourds proviennent d'une accrétion continuelle des restes des cortèges planétaires laissées par la phase de géante rouge des étoiles génitrices des naines blanches.

Les traces d'exoplanètes disparues

Des astrophysiciens, qui viennent de déposer un article sur arxiv, pensent être parvenus à départager les deux théories. Cette équipe internationale s'est pour cela appuyée sur des mesures spectroscopiques précises réalisées dans l'ultraviolet par le télescope Fuse (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer). Elles concernent les abondances de carbone, de silicium, de phosphore et de soufre dans les atmosphères de 89 naines blanches.

Il ressort des analyses de ces abondances qu'elles ne correspondent pas aux prédictions des modèles basés sur la lévitation des éléments lourds du fait de la pression de radiation. Au contraire, ces abondances sont bien celles que l'on peut attendre d'une contamination de l'atmosphère de ces objets compacts par des matériaux rocheux d'origine planétaire.

L'énigme de la composition des atmosphères des naines blanches semblent donc résolue. En bonus, elle a ouvert une fenêtre d'observation sur la composition interne des planètes rocheuses extrasolaires et elle permet de faire de l'archéologie planétaire en analysant les traces laissées par des systèmes d'exoplanètes en fin de vie.

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