Cet assemblage de 52 photographies révèle la beauté des nuages de gaz et de poussières illuminés par de jeunes étoiles dans la région d'Ophiucus, à proximité de la Voie lactée. © Rogelio Bernal Andreo
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Une supernova serait bien à l'origine du Système solaire

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L'effondrement gravitationnel du nuage de gaz et de poussières à l'origine du Système solaire aurait bien été causé par l'onde de choc produite par l'explosion d'une supernova d'après de nouvelles études basées sur l'observation d'une célèbre région de formation d'étoiles dans la Voie lactée.

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[EN VIDÉO] La nucléosynthèse, ou comment les étoiles fabriquent des atomes  Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous parle de l’astrophysique nucléaire des étoiles. Ces gigantesques réacteurs naturels à fusion thermonucléaire produisent de futurs noyaux d'atomes à partir de l’hydrogène et de l’hélium. Le plus souvent, la fabrication s'arrête au fer, le plus stable. Mais au-delà, pour des noyaux plus lourds, certains mystères subsistent. 

Lorsque l'on pointe un télescope suffisamment puissant en direction du bord de la constellation d'Ophiuchus et pas très loin de l'étoile Antarès, la fameuse étoile binaire de la constellation du Scorpion qui contient une supergéante rouge, on peut observer l'une des régions de formation d'étoiles les plus proches du Système solaire. Il s'agit du complexe de Rho Ophiuchi qui apparaît divisé en deux nuages moléculaires poussiéreux principaux, LDN 1688 et LDN 1689.

Cette région de formation d'étoiles est à environ 420 années-lumière du Système solaire et elle tire son nom de la présence d'une étoile multiple constituée de deux étoiles doubles ρ Ophiuchi. Elle contient donc de jeunes protoétoiles dans des amas stellaires résultant de l'effondrement et de la fragmentation gravitationnelle des nuages moléculaires. De fait, c'est un laboratoire de choix pour observer aujourd'hui les processus ayant mené à la naissance du Soleil et de son cortège planétaire il y a plus de 4,5 milliards d'années.

On ne sera donc pas surpris du titre d'un article que vient tout juste de publier dans Nature Astronomy une équipe internationale d'astronomesA Solar System formation analogue in the Ophiuchus star-forming complex.

Une plongée vertigineuse dans le domaine de la lumière visible vers le complexe de Rho Ophiuchi où naissent de jeunes étoiles. Cette région paraît sombre dans le visible mais ce n'est plus le cas lorsqu'on l'observe dans l'infrarouge proche. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

La cosmochimie isotopique, clé de la cosmogonie

L'article s'inscrit dans une problématique et une thématique de recherche qui remontent aux années 1970 et qui relèvent de ce que l'on a pu appeler la théorie du Little Bang. Elle est exposée dans des articles que Futura lui avait déjà consacrés et dont certains sont ci-dessous. Pour faire court, la théorie et les observations concernant des nuages moléculaires poussiéreux ne permettent pas de les faire s'effondrer gravitationnellement pour donner une protoétoile entourée d'un disque protoplanétaire, permettant de rendre compte de la naissance du Système solaire.

On pouvait faire intervenir des collisions entre de tels nuages, collisions conduisant à des ondes de choc de compression permettant de surmonter les barrières à l'effondrement gravitationnel. Mais, on pouvait aussi produire de telles ondes à l'occasion de l'explosion en supernova d'une étoile massive contenant au moins 8 à 10 fois la masse du Soleil. Or, non seulement on observe bien ce genre d'astre dans les amas ouverts qui sont des pouponnières de jeunes étoiles mais la découverte de traces éteintes de radioactivité dans les noyaux contenus dans la célèbre météorite d'Allende avait donné du poids à la théorie de la supernova, c'est-à-dire la théorie cosmogonique du Little Bang.

Les cosmochimistes avaient en effet découvert dans Allende les produits de la désintégration radioactive d'un isotope à courte durée de vie de l'aluminium :  26Al. Il semblait évident de prime abord que cet isotope avait été créé par l'explosion d'une supernova et que les noyaux résultant de la nucléosynthèse avaient été injectés rapidement dans la nébuleuse protosolaire, qui allait s'effondrer à l'occasion de l'onde de choc de l'explosion. Mais une variante sans Little Bang avait été avancée récemment, faisant produire les noyaux d'aluminium-26 dans une coquille de matière éjectée par une étoile de type Wolf-Rayet.

Des observations dans plusieurs bandes de longueurs d'onde de la région de formation d'étoiles du complexe de Rho Ophiuchi révèlent des interactions entre des nuages de gaz de formation d'étoiles et des radionucléides produits dans un amas voisin de jeunes étoiles. L'image du haut (a) montre la distribution de l'aluminium-26 en rouge, tracée par les émissions de rayons gamma. La case centrale représente la zone couverte dans l'image en bas à gauche (b), qui montre la distribution des protoétoiles dans les nuages d’Ophiuchus sous forme de points rouges. La zone dans la boîte est montrée dans l'image en bas à droite (c), une image composite en fausses couleurs et montrant dans le proche infrarouge le nuage L1688, contenant de nombreux noyaux de gaz dense pré-stellaires bien connus avec des disques et des protoétoiles. © Forbes et al., Nature Astronomy 2021

Des scénarios testables par des observations à plusieurs longueurs d'onde

Pour tenter de trancher entre les deux modèles cosmochimiques expliquant les observations dans les météorites, les astrophysiciens ont étudié la région de formation d'étoiles d'Ophiuchus avec plusieurs instruments relevant de divers types d'astronomie.

La répartition et les flux d'isotopes d'Aluminium-26 ont été mis en évidence par l'astronomie gamma via l'observatoire Compton Gamma Ray, un vétéran de 30 ans de la Nasa qui a donc permis de détecter les photons gamma émis lors de la désintégration des noyaux de 26Al. Les nuages moléculaires contenant des noyaux plus denses où vont naître des étoiles et les amas stellaires ont, eux, été étudiés à des énergies bien plus basses relevant des rayonnements infrarouges et millimétriques observés par les missions Herschel et Planck de l'ESA.

On voit alors que des flux de 26Al vont des amas stellaires où se trouvent des étoiles de Wolf-Rayet et leurs puissants vents de matière et où se produisent fréquemment des supernovae. En modélisant ces amas il est possible de prendre en compte et d'évaluer l'importance des diverses sources d'aluminium-26. L'analyse statistique des données multispectrales à la lumière de la mobilisation utilisée suggère maintenant que le processus dominant de formation des isotopes de l'aluminium et d'enrichissement des nébuleuses protoplanétaires est bien celui de l'explosion de supernovae. Comme la région de formation d'étoiles Rho Ophiuchi est typique, on peut s'attendre à ce que les conclusions obtenues par les chercheurs soient valables non seulement pour la formation du Système solaire mais aussi pour bien d'autres étoiles avec des exoplanètes dans la Voie lactée.

Toutefois, les travaux présentés dans l'article de Nature suggèrent aussi que les abondances de 26Al peuvent être différentes de plusieurs ordres de grandeur entre les différents systèmes planétaires. Or, dans le cas du Système solaire, on sait que l'aluminium-26  a été une source de chaleur importante au début de l'histoire des planètes et des embryons de planètes rocheuses. On peut donc s'attendre à ce que des exoplanètes telluriques nées dans des régions riches en 26Al soient moins riches en eau, ce qui a bien sûr des implications pour les chercheurs en exobiologie.

Une image composite en fausses couleurs prise dans le proche infrarouge du nuage L1688 dans le complexe de formation d'étoiles d’Ophiuchus où le bleu, le vert et le rouge correspondent à des observations dans trois bandes de longueurs d’onde. © João Alves, ESO Visions
Pour en savoir plus

Un Little Bang à l'origine du Système solaire ? Pas si sûr…

Article de Laurent Sacco publié le 31/12/2017

Le scénario standard de la formation du Système solaire serait à revoir, d'après des chercheurs qui mettent en avant une anomalie dans les abondances d'isotopes contenus dans les météorites. Selon eux, le Soleil ne serait pas né du souffle de l'explosion d'une supernova mais dans une coquille de matière éjectée par une étoile de type Wolf-Rayet.

Depuis la fin des années 1970, un modèle cosmogonique expliquant l'origine du Système solaire a été adopté par la communauté scientifique mais il soulève des doutes depuis quelque temps. Personne ne remet en cause le fait que le Soleil et son cortège de planètes soient nés de l'effondrement d'une nébuleuse protosolaire primitive, un nuage moléculaire poussiéreux dense et froid. En revanche, on questionne le scénario ayant conduit à l'effondrement de cette nébuleuse il y a environ 4,56 milliards d'années.

Selon les modèles cosmochimiques accompagnant la formation d'un disque chaud de matière autour du protosoleil et qui va ensuite se refroidir en donnant des condensations de matière, il a dû apparaître au début des petites structures blanchâtres très réfractaires (résistant à de hautes températures) composées d'aluminium et de calcium. De telles structures ont été retrouvées sous forme d'inclusions dans la célèbre météorite tombée près du village d'Allende au Mexique, le 8 février 1969.

Une coupe d'un échantillon de la météorite d'Allende. © Matteo Chinellato, cc by sa 3.0, Wikipédia

Des isotopes radioactifs produits par une supernova ?

Cette chondrite carbonée, considérée comme la pierre de Rosette de la planétologie, a été trouvée éparpillée sur une superficie de plus de 150 kilomètres carrés dans le district de Chihuahua. Des centaines de fragments totalisant une masse de plus de deux tonnes furent recueillis. Sur des coupes, apparaissent les fameuses inclusions riches en aluminium et en calcium, baptisées CAI pour Calcium Aluminum-rich Inclusions en anglais. Elles peuvent atteindre un centimètre de diamètre et c'est leur composition isotopique fine qui a fourni des renseignements sur les tout premiers temps de la formation du Système solaire.

En particulier, une anomalie dans les abondances de 26Mg et 24Mg, découverte par Jerry Wasserburg du Caltech, plaidait pour une injection rapide d'aluminium 26 radioactif à courte période dans la nébuleuse primitive. Les noyaux de 26Al auraient produit en se désintégrant des noyaux de 26Mg, changeant la composition attendue dans les météorites car ils sont 17 fois plus abondants que dans la composition moyenne de la Voie lactée. Cet apport ne semblait pouvoir provenir que de l'explosion rapprochée d'une supernova. L'évènement aurait produit de l'aluminium 26, juste avant l'effondrement de la nébuleuse qui a conduit à la formation de notre Système solaire, effondrement que l'onde de choc de l'explosion aurait provoqué.

La nébuleuse M1-67 autour de l'étoile Hen 2-427, plus communément appelée WR 124 car c'est une étoile de Wolf-Rayet, vue par le télescope Hubble dans la constellation du Sagittaire. Elle n'aurait pas plus de 10.000 ans et serait située à 15.000 années-lumière du Soleil. © Esa, Judy Schmidt

Une bulle de matière produite par les vents d'une étoile de Wolf-Rayet

Mais, selon certains chercheurs, quelque chose cloche dans ce scénario. Un article récemment publié dans Astrophysical Journal par des cosmochimistes l'illustre bien. Comme on le dit parfois, le diable est dans les détails et en l'occurrence dans des mesures fines d'autres isotopes présents dans les météorites.

Si l'aluminium 26 provient bien de l'explosion d'une supernova à partir d'une étoile baptisée Coatlicue, alors il devrait exister des traces importantes d'un autre isotope produit par la supernova, du fer 60. Or, selon les chercheurs, le compte n'y est pas, et de très loin, et c'est pourquoi ils proposent un autre scénario pour la naissance du Système solaire, qui se passe d'une supernova.

La nébuleuse protosolaire se serait en fait effondrée à l'intérieur d'une coquille de gaz entourant une bulle de matière éjectée depuis des millions d'années au moins par une étoile géante et massive de type Wolf-Rayet. Il s'agit d'astres contenant à l'origine au moins de 15 à 25 masses solaires, parfois bien plus, et qui ne sont plus sur la séquence principale. Les étoiles WR éjectent en effet d'énormes quantités de matière dans des vents stellaires beaucoup plus forts que le vent solaire : la perte de masse pouvant atteindre un taux de 10−5 masse solaire par an contre 10−14 pour le Soleil.

Ces images extraites de simulations numériques montrent comment se forme et évolue une bulle de matière éjectée par les vents (wind) d'une étoile de Wolf-Rayet durant 4,7 millions d'années. Il se forme un nuage moléculaire (cloud) avec une coquille (shell) dense et des régions ionisées par le rayonnement de l'étoile. C'est dans la coquille dense que se formeraient ensuite des étoiles de type solaire. © V. Dwarkadas, D. Rosenberg

Selon ce scénario, des poussières enrichies en 26Al mais dépourvues de 60Fe sont naturellement piégées et concentrées dans la coquille entourant l'étoile de WR, coquille qui se fragmenterait en donnant par effondrement des étoiles de plus faibles masses. Très massive, l'étoile se serait ensuite effondrée en trou noir sans donner de supernova. Selon les astrophysiciens, entre 1 et 16 % des étoiles de type solaire se seraient formées de cette façon.


Un Little Bang est bien à l'origine du système solaire

Article de Laurent Sacco publié le 16/10/2008

Comment la nébuleuse protosolaire a-t-elle formé notre système planétaire ? Par effondrement, certes, mais pourquoi celui-ci s'est-il produit ? Depuis longtemps, les astrophysiciens pensent qu'un coup de pouce, ou plutôt une onde de choc, l'a déclenché. L'hypothèse d'une supernova était soutenue par la cosmochimie des météorites, mais pas du tout par des simulations numériques... jusqu'à aujourd'hui ! Nous devons bien notre existence au Big Bang puis à un Little Bang il y a plus de 4,5 milliards d'années.

La théorie de la condensation d'un nuage de gaz et de poussières pouvant conduire à la formation d'un système solaire est ancienne. On peut au moins la faire remonter aux travaux de James Jeans qui, suivant les travaux visionnaires de Descartes et surtout Kant et Laplace, en était venu à formuler le célèbre critère de Jeans. Il donne les limites de masse, de densité et de température qu'une nébuleuse doit atteindre pour s'effondrer sous sa propre attraction gravitationnelle et former une étoile.

Mais ce critère semblait ne pas fonctionner pour notre propre système solaire. En effet, la nébuleuse à l'origine du Soleil et de son cortège de planètes était trop peu massive et surtout trop peu dense, si on la compare aux observations dans la Galaxie, pour s'effondrer d'elle-même. L'hypothèse d'une onde de choc augmentant sa densité était donc évoquée et l'explosion d'une supernova au voisinage de la nébuleuse semblait une excellente explication.

Les différentes étapes de la formation du système solaire. Un nébuleuse sphérique en rotation s'effondre pour donner un disque, au sein duquel des processus d'accrétion et de collisions transforment les masses de poussières en planètes. © Plymouth State University-Mark P. Turski

La découverte des inclusions réfractaires dans la célèbre chondrite carbonée tombée près d'Allende allait révéler la présence d'isotopes produits par la désintégration radioactive rapide d'autres isotopes juste avant leur formation. Nécessairement, un processus nucléosynthétique explosif devait avoir précédé de quelques centaines de milliers d'années tout au plus la formation des météorites carbonées, les plus anciens objets du système solaire. Une supernova injectant rapidement dans la nébuleuse protosolaire des isotopes radioactifs à très courtes périodes juste avant son effondrement était donc exactement ce dont les astrophysiciens avaient besoin... Ils avaient, en plus, une preuve du phénomène.

Il suffisait d'affiner les simulations pour retrouver la supernova...

Mais tout n'est pas si simple. Les simulations numériques effectuées jusqu'à aujourd'hui, reposant sur les lois de la thermodynamique et de l'hydrodynamique, persistaient à ne pas donner un système solaire ressemblant au nôtre avec les bonnes abondances d'éléments. A tel point que l'hypothèse d'une supernova pré-solaire tombait de plus en plus en désuétude chez les spécialistes ces dernières années.

Les choses viennent de changer grâce à la nouvelle simulation d'Alan Boss et de ses collègues de la célèbre Institution Carnegie à Washington.

De haut en bas la simulation du passage de l'onde de choc d'une supernova dans une nébuleuse protosolaire quasiment sphérique vue en coupe. Les zones les plus rouges sont les plus denses. © Alan Boss

Dans les modèles précédents, l'onde de choc produit par la supernova décélérait de quelques dizaines de kilomètres par seconde lors de son passage dans le nuage de gaz et de poussières, à une température quasiment constante de 10 K environ.

En raffinant les calculs hydrodynamiques et en trouvant finalement un mécanisme approprié de chauffage par compression et de refroidissement par rayonnement, les astrophysiciens ont enfin reproduit à la fois un effondrement de la nébuleuse protosolaire et une répartition des isotopes radioactifs conforme aux observations dans les météorites.

Dans tous les modèles examinés sur ordinateur par les chercheurs, l'onde de choc heurte un nuage de la masse du Soleil, composé de poussières, d'eau, de monoxyde de carbone et d'hydrogène moléculaire. Les températures peuvent atteindre 1.000 K et grâce à l'introduction d'un nouveau mécanisme de refroidissement, le nuage peut s'effondrer. Environ 100.000 années plus tard, la nébuleuse protosolaire est devenue 1.000 fois plus dense qu'auparavant, et après 160.000 ans, un protosoleil est là, au cœur d'un nuage devenu un million de fois plus dense.

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