Illustration montrant le Soleil en couple avec une étoile née dans le même nid que lui, il plus de quatre milliards et demi d'années. © M. Weiss
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Le Soleil était en couple avec une étoile née en même temps que lui

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Le Soleil est né en même temps que d'autres étoiles sœurs dans un amas stellaire ouvert, aujourd'hui dispersé dans la Voie lactée. On pense qu'il pourrait même avoir un frère jumeau (ou une sœur jumelle, c'est selon) avec lequel il formait temporairement une étoile binaire. Ce jumeau expliquerait l'origine du fameux nuage cométaire de Oort.

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[EN VIDÉO] Comment naissent les étoiles ?  Dans cette vidéo, Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous parle de la façon dont se forment les étoiles et aussi de l’astrophysique nucléaire des étoiles. 

Il y a deux ans, Futura expliquait dans un précédent article ci-dessous que deux astrophysiciens avançaient l'hypothèse que notre Soleil formait un système binaire avec un frère jumeau pendant quelques millions d'années, juste après leur naissance. Les chercheurs étaient arrivés à cette conclusion en se basant sur les statistiques des couples de jeunes étoiles observés dans des pouponnières comme le nuage moléculaire de Persée. Les observations suggéraient en effet que toutes les étoiles de masses comparables à celle du Soleil naissaient par paire avant, parfois, de se séparer. On sait en plus que la majorité des étoiles dans la Voie lactée sont bel et bien en couple.

L'idée a continué de faire son chemin et elle est aujourd'hui reprise par le célèbre Abraham Loeb (ou Avi Loeb), coutumier des articles sur arXiv avec des idées originales, voire farfelues selon certains. Le chercheur, directeur du département d'astronomie de l'université d'Harvard, est pourtant tout ce qu'il y a de plus sérieux. Il semble cependant qu'il ait l'habitude de lancer parfois un jeune doctorant en publiant avec lui une étude aux conclusions exotiques et stimulantes. La nouvelle théorie publiée dans The Astrophysical Journal Letters ne semble pas échapper à ce scénario puisque son coauteur, Amir Sira, n'est précisément pas encore docteur.

Le Système solaire s’est formé à partir d’un nuage moléculaire riche en poussières s’effondrant sous sa propre gravité. C’est ainsi qu’est né le Soleil, entouré d’un disque protoplanétaire. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com, YouTube

Loeb et Siraj apportent donc de nouveaux arguments à la thèse voulant que le Soleil a peut-être déjà eu un compagnon binaire de masse similaire et initialement distant d'environ 1.000 UA de notre jeune étoile. Pour cela, ils revisitent un problème connu depuis un moment déjà, celui de l'origine du célèbre nuage cométaire de Oort. Rappelons quelques éléments à son sujet, et déjà exposés par Futura.

Une explication pour les comètes de longues périodes

En 1950, l'astronome hollandais Jan Hendrik Oort avait publié le résultat de ses travaux sur les comètes à longues périodes dans un article qui fut l'acte de naissance de la découverte de ce que l'on nomme maintenant en son honneur le nuage de Oort. Dans cet article, Oort se basait sur le fait que les orbites des comètes à longues périodes connues en 1950 avaient leurs aphélies à des distances de l'ordre de 20.000 à 100.000 unités astronomiques (UA) du Soleil. Il en concluait qu'il existait, entre ces distances du Soleil, un ensemble de comètes tournant sur des orbites grossièrement circulaires. Les inclinaisons de leurs orbites étant quelconques, ce réservoir de comètes devait présenter une symétrie sphérique.

Une année-lumière correspond environ à 60.000 UA. Les étoiles les plus proches sont à un peu plus de quatre années-lumière, donc à 250.000 UA. Cela signifiait que certaines comètes se promenaient à une distance du Soleil de l'ordre de grandeur de la distance entre les étoiles. Un calcul simple montrant que la vitesse orbitale, à cette distance, est de quelques mètres par seconde seulement, alors que la vitesse des étoiles proches par rapport au Soleil est de l'ordre de 20 km/s, il fallait en conclure que les comètes du réservoir du nuage de Oort devaient être particulièrement sensibles aux perturbations gravitationnelles des autres étoiles proches. Au cours de ses pérégrinations autour de la Voie lactée, notre Soleil devait se rapprocher suffisamment des autres étoiles pour que des comètes de ce nuage changent d'orbite pour se diriger vers le Système solaire interne, sous l'effet de ces perturbations.

L'astronome Jan Oort. © Jan Oort

Une genèse problématique pour le nuage d'Oort

D'après les modèles de formation du Système solaire, on en avait déduit que ces comètes étaient des vestiges des stades précoces de cette formation et qu'elles avaient en fait été éjectées sur des orbites longues par l'influence des planètes géantes, en particulier Jupiter. Chaque comète était donc un fossile contenant la matière primitive du disque protoplanétaire, mise ainsi « au frigo » pour des milliards d'années.

Mais, comme l'expliquait il y a une décennie Futura dans un article d'où sont extraites toutes ces considérations, une simulation numérique conduite par Harold Levison et ses collègues conduisait à une tout autre image de l'origine du nuage de Oort.

Des comètes (points verts et bleus) se déplacent au hasard dans un jeune amas d'étoiles (orange et rouge) au début de cette simulation sur ordinateur. Lorsque des explosions de supernovae et de forts vents stellaires dissipent l'amas ouvert, les comètes (en bleu) se déplaçant dans la même direction que l'étoile rouge vont devenir membres du nuage d'Oort de cette étoile. © Harold Levison

En effet, si les comètes du nuage d'Oort sont bien des corps célestes éjectés sur des orbites longues périodes mais s'étant formés relativement proches du Soleil, les simulations conduisent à estimer que le nuage ne pourrait contenir que quelques milliards de ces objets. Cette estimation se révèle très insuffisante pour rendre compte des observations qui conduisent à un nombre de plusieurs centaines de milliards de telles comètes. En revanche, si l'on tient compte du fait que notre Soleil s'est formé avec beaucoup d'autres étoiles dans un amas ouvert, par fragmentation d'un nuage de poussières et de gaz, alors le désaccord entre théorie et observations peut être éliminé. Ainsi, le Soleil aurait volé des comètes aux autres systèmes planétaires évoluant en formation parallèlement avec lui.

Une origine extrasolaire pour la planète 9 ?

Ce scénario est aujourd'hui renforcé par Loeb et Siraj qui avancent maintenant que l'on peut encore plus facilement expliquer le remplissage du nuage d'Oort en faisant intervenir des captures de comètes par un système binaire constitué du Soleil et de son jumeau temporairement lié à lui par la gravitation avant de s'échapper de son attraction et de poursuivre sa vie quelque part dans la Voie lactée.

Ainsi, pour  Loeb, « les systèmes binaires sont beaucoup plus efficaces pour capturer des objets que les étoiles simples. Si le nuage d'Oort se forme comme observé, cela implique que le Soleil avait en fait un compagnon de masse similaire qui a été perdu avant que le Soleil ne quitte son amas de naissance ». Et l'astrophysicien d'ajouter que « le puzzle ne concerne pas seulement le nuage ​​d'Oort, mais aussi les objets transneptuniens extrêmes, comme l'hypothétique Planète 9. On ne sait pas d'où ils viennent, et notre nouveau modèle prédit qu'il devrait y avoir plus d'objets avec une orientation orbitale similaire à la planète 9 ».

L'observatoire Vera C. Rubin, anciennement appelé LSST et qui devrait voir sa première lumière en 2021, pourrait confirmer ou non toutes ces considérations en découvrant notamment plusieurs planètes naines. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour l'exobiologie et l'étude de la formation des exoplanètes, puisque l'on disposerait d'un moyen d'échantillonner directement la matière primitive d'autres systèmes planétaires. L'origine de la planète 9 elle-même, si elle existe, pourrait être également extrasolaire. Si ces idées étaient bel et bien le reflet de la réalité, qui sait leurs implications pour la panspermie et les origines de la vie ?

  • Dans la Voie lactée, les étoiles binaires sont très nombreuses. Il existe même quelques systèmes triples et plus.
  • Pour comprendre l'origine de ces étoiles, les chercheurs s'aident de simulations numériques et établissent des statistiques à partir des observations des jeunes amas ouverts d'étoiles dans les nuages moléculaires.
  • Les observations menées, notamment dans le nuage de Persée, suggèrent que toutes les étoiles de masses similaires à celle du Soleil commencent leur vie en couple avant qu'une partie d'entre elles ne se sépare et que les autres se rapprochent.
  • Récemment repérée dans la constellation du Paon, l'étoile HD186302, située à 184 années-lumière environ du Système solaire, a un âge et une composition chimique qui en font une candidate au titre de sœur jumelle ou frère jumeau du Soleil.
  • Surtout l'existence de ce frère jumeau permet de rendre compte nettement plus facilement de celle du nuage cométaire d'Oort. Pendant quelques millions d'années, le Soleil et son frère pouvaient alors attirer de nombreuses comètes extrasolaires dans leur amas de naissance avant de se séparer. L'hypothétique planète 9 pourrait avoir subi le même sort.
Pour en savoir plus

Le jumeau perdu du Soleil aurait été retrouvé à 184 années-lumière !

Article de Laurent Sacco publié le 15/06/2017

Le Soleil est né en même temps que d'autres étoiles sœurs dans un amas aujourd'hui dispersé dans la Voie lactée. On pense qu'il pourrait même avoir un frère jumeau (ou une sœur jumelle, c'est selon) avec lequel il formait temporairement une étoile binaire. Ce jumeau pourrait avoir été retrouvé.

Si vous avez la chance de descendre un jour en dessous de l'équateur, pour voyager dans l'hémisphère Sud, vous pourrez pleinement voir la constellation du Paon, bien qu'elle soit peu lumineuse. Elle se signale quand même par une étoile quasiment de première magnitude qui est la plus brillante de la constellation : α Pavonis. C'est une sous-géante bleue, environ 5 fois plus massive que le Soleil.

Mais si l'on en croit une publication disponible sur arXiv et provenant d'une équipe internationale d'astronomes menée par Vardan Adibekyan de l'Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) au Portugal, c'est l'étoile HD186302 située à 184 années-lumière environ du Système solaire dans cette constellation qui devrait retenir votre attention.

C'est une naine jaune de type G3 (le Soleil en est une de type G2) qui fait donc partie, comme son nom l'indique, du catalogue Henry Draper (HD) qui regroupe les données de plus de 225.000 étoiles dont les magnitudes apparentes vont jusqu'à 9 environ.

Pour la petite histoire, il a été établi au début du XXe siècle par l'astronome Annie Jump Cannon et ses collègues du Harvard College Observatory, il couvre presque toute la voûte céleste. Il tire son nom d'un pionnier de l'astrophotographie, qui fut le premier à obtenir un spectre stellaire, celui de Véga, en 1872. À sa mort, sa veuve avait financé la réalisation de ce catalogue, par la suite largement utilisé par les astronomes. Voilà pourquoi plusieurs étoiles de la Voie lactée, étudiées pour leurs exoplanètes, sont référencées par les lettres HD.

Mais pourquoi HD186302 a-t-elle les honneurs aujourd'hui ? Parce qu'il apparaît probable que ce soit une des nombreuses sœurs du Soleil et peut-être, mais ce serait extraordinaire, sa jumelle (ou son frère jumeau, au choix) ou l'une de ses jumelles, si tel était le cas il y a environ 4,6 milliards d'années.

L'un des principaux aspects de la mission Herschel était d'étudier en infrarouge les nuages moléculaires où naissent les étoiles. © ESA Science & Technology

Des exoplanètes autour du jumeau du Soleil ?

En effet, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, non seulement nous savons depuis un moment que les étoiles naissent en groupe dans des nuages de gaz et de poussières froids, qui s'effondrent et se fragmentent pour plusieurs raisons, mais que probablement, elles commencent majoritairement leur vie sous forme d'étoiles binaires qui finissent pas se séparer précocement (des étoiles multiples se forment aussi, mais elles sont plus rares).

Ces pouponnières d'étoiles constituent ce que l'on appelle des amas ouverts qui vont se disperser dans la Voie lactée en quelques centaines de millions d'années tout au plus. Mais on peut, en théorie du moins, les retrouver en cherchant des soleils dont la composition chimique est très voisine, du même âge, et sur des orbites et à des distances montrant qu'ils pouvaient être membres d'un amas ouvert dans le passé.

C'est précisément à ce jeu que les astronomes et les astrophysiciens jouent depuis quelque temps. L'équipe menée par Vardan Adibekyan s'est donc appuyée sur les données astrométriques de Gaia et sur celles collectées dans le cadre du projet Ambre. Un projet d'archéologie galactique mis en place par l'ESO et l'Observatoire de la Côte d'Azur afin de déterminer les paramètres atmosphériques stellaires des spectres archivés à partir des spectrographes Feros, Harps, Uves et Giraffe de l'ESO.

Environ 230.000 spectres provenant des atmosphères de 17.000 étoiles ont été inspectés et 55 étoiles ont été sélectionnées en se basant sur la métallicité de ces étoiles, c'est-à-dire dans le jargon des astrophysiciens, le contenu en éléments plus lourds que l'hélium de leur atmosphère, et donc de ces étoiles. Les plus proches du Soleil ont été retenues, puis des mesures des abondances en éléments et leurs isotopes concernant le fer et le carbone ont permis de ne retenir que HD186302.

D'autres sœurs potentielles du Soleil ont été identifiées avant mais dans le cas présent, devant les similitudes entre notre étoile et HD186302, les membres de l'IA veulent chasser d'éventuelles exoplanètes autour d'elle avec les spectrographes Harps et Espresso. C'est bien sûr très, très spéculatif mais on peut se demander, avec la panspermie en arrière plan, quelles pouvaient être les relations entre la jeune Terre et une éventuelle exoterre si HD186302 était vraiment la jumelle de notre étoile avec laquelle elle formait temporairement un système binaire.


Notre Soleil serait né avec un frère jumeau

Article de Laurent Sacco publié le 15/06/2017

En se basant sur des statistiques des couples de jeunes étoiles observés dans des pouponnières comme le nuage moléculaire de Persée, deux astrophysiciens sont arrivés à une conclusion étonnante. Toutes les étoiles de masses comparables à celle du Soleil naîtraient par paire avant, parfois, de se séparer. Notre Soleil aurait donc eu un frère jumeau pendant quelques millions d'années.

C'est à la fin du XVIIIe siècle qu'ont été découvertes les premières étoiles doubles. Grâce aux travaux de William Herschel à qui l'on doit d'ailleurs le terme d'étoile binaire. Les deux termes ne sont pas synonymes pourtant, même si on les emploie souvent sans faire la différence. Une étoile binaire est un vrai couple d'étoiles liées par la gravitation, alors qu'une étoile double peut très bien n'être qu'une association fortuite de deux étoiles sur la voûte céleste. Ainsi, l'un des cas les plus emblématiques est Alcor et Mizar, observé au XVIIe siècle par Giovanni Battista Riccioli, astronome et jésuite italien à l'origine de la nomenclature de la face visible de la Lune. Toutefois, les progrès de l'astrophysique ont établi que les deux étoiles sont très probablement binaires (en fait sextuple).

Depuis deux siècles donc, de nombreuses binaires ont été observées et même des systèmes multiples de sorte qu'il a été mis en évidence qu'environ deux tiers des étoiles de la Voie lactée sont en couple. Des amas ouverts d'étoiles ont aussi été découverts, ce qui a permis de comprendre qu'il s'agissait de jeunes étoiles nées en même temps par effondrement gravitationnel d'un nuage moléculaire poussiéreux comme le Nuage d'Orion (Orion Molecular Cloud) ou celui de Persée (Perseus Molecular Cloud). Situé à environ 600 années-lumière de la Terre dans la constellation de Persée, ce dernier s'étend sur environ 50 années-lumière.

Le Système solaire s’est formé à partir d’un nuage moléculaire riche en poussières s’effondrant sous sa propre gravité. C’est ainsi qu’est né le Soleil, entouré d’un disque protoplanétaire. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com, YouTube

Un possible compagnon du Soleil nommé Némésis

Les astrophysiciens ont bien évidemment cherché à mieux comprendre la naissance des étoiles dans ces nuages et en particulier celle des étoiles binaires. Ce sont des questions complexes où interviennent la température, la densité de la matière ainsi que la turbulence et les champs magnétiques qui règnent dans les nuages moléculaires. S'y ajoute le fait que certaines des étoiles qui naissent dans ces pouponnières sont massives et évoluent rapidement pour finir par exploser en supernova au bout de quelques millions d'années seulement. Les ondes de choc produites peuvent à leur tour provoquer l'effondrement gravitationnel d'autres régions de ces nuages qui n'étaient pas assez denses ou froides auparavant et ainsi enfanter des étoiles.

Les chercheurs pensent que ce fut le cas de notre Soleil et ils ont même une idée des caractéristiques de l'étoile qui lui a donné naissance, baptisée Coatlicue. Il est certain que notre étoile ait eu des sœurs et des frères qui se sont dispersés dans la Voie lactée par la suite, comme c'est toujours le cas avec des amas ouverts (par définition, les membres ne sont pas gravitationnellement liés).

Certains astrophysiciens sont allés plus loin depuis un moment déjà en proposant que le Soleil fasse lui aussi partie d'une étoile double. Sa sœur, ou son frère c'est selon, a été baptisé Sol B. Mais elle est plus célèbre sous le nom de Némésis, donné par le physicien Richard Muller en 1984. Il s'agirait d'une étoile très peu lumineuse, voire d'une naine brune qui formerait avec le Soleil un système binaire à très longue période (environ 26 millions d'années) sur une orbite très excentrique. Par ses perturbations gravitationnelles périodiques du nuage cométaire d'Oort, Némésis aurait causé des bombardements responsables d'extinctions sur Terre.

Cette image a été générée à partir du radiotélescope Alma au Chili. Elle montre un système triple d’étoiles dans un disque de poussière et de gaz à l’intérieur du nuage moléculaire de Persée. © Bill Saxton, Alma, ESO, NAOJ, NRAO, AUI, NSF

Les étoiles naines solitaires étaient en couple à leur naissance

Cette hypothèse n'a jamais pu être vérifiée mais une variante découle d'un article déposé sur arXiv par les astrophysiciens Sarah Sadavoy, du Smithsonian Astrophysical Observatory à l'université d'Harvard, et Steven Stahler, de l'université Berkeley. Selon les deux chercheurs, il est très probable que toutes les étoiles se forment d'abord sous forme de binaires éloignées. Puis en quelques millions d'années, soit elles se rapprochent, soit elles s'éloignent suffisamment pour ne plus être liées gravitationnellement. Notre Soleil aurait donc eu temporairement un frère jumeau, mais qui ne serait probablement pas identique.

Plusieurs éléments se combinent pour arriver à cette conclusion. Ainsi, il y a quelques années, l'astrophysicien Pavel Kroupa, qui s'est notamment fait connaître par ses travaux sur les galaxies et la théorie Mond, a réalisé des simulations numériques qui l'ont amené effectivement à la conclusion que les étoiles devaient toute naître par paire ou peu s'en faut. Or jusqu'à présent, les observations permettant de tester cette idée manquaient.

Stahler et Sadavoy ont donc utilisé la radioastronomie et en particulier le VLA dont le regard perçant peut pénétrer à l'intérieur des nuages moléculaires poussiéreux (qui bloquent la lumière visible), en l'occurrence celui de Persée. Ils ont bénéficié des résultats de la campagne d'observations appelée Vandam (VLA Nascent Disk and Multiplicity), la première à recenser systématiquement les étoiles plus jeune que 4 millions d'années dans un nuage moléculaire. Tous les systèmes multiples d'étoiles avec des distances supérieures à 15 unités astronomiques (UA) ont également été recensés.

En combinant ces observations avec d'autres, il est apparu que toutes les étoiles binaires les plus jeunes (moins de 500.000 ans) étaient séparées par des distances supérieures à 500 UA, alors que celles légèrement plus âgées étaient plus proches, séparées par des distances de l'ordre de 200 UA.

Selon les chercheurs, le modèle statistique qui colle le mieux à ces observations est celui où toutes les étoiles de masses comparables à celle du Soleil débutent leur vie sous forme d'étoiles binaires largement séparées. Puis environ 60 % de ces couples vont se défaire, tandis que les autres vont voir les tailles de leurs orbites diminuer.

Ainsi, les naines de faible masse qui semblent solitaires dans la Voie lactée seraient, en fait, d'anciennes étoiles binaires.

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