La nébuleuse de la Tarentule vue par Hubble. © Nasa

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Surprise : l'univers contiendrait bien plus d'étoiles massives que prévu

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Dans la nébuleuse de la Tarentule, un groupe d'astrophysiciens a eu une surprise : la proportion d'étoiles massives de cette pouponnière stellaire est étonnamment élevée. Ce qui impliquerait de revoir à la hausse la quantité de supernovae et de trous noirs massifs.

Étoiles et galaxies sont liées par des relations complexes, à l'image de celle des cellules à l'organisme entier. Les étoiles naissent en effet dans le milieu gazeux des galaxies qu'elles font chimiquement évoluer en retour, notamment lorsqu'elles explosent en supernovae, ce qui produit des conditions plus favorables à la naissance de nouvelles étoiles.

Le souffle du rayonnement des étoiles fait lui aussi évoluer la formation de nouveaux soleils ainsi que les molécules et les poussières des nuages interstellaires. Ce souffle a probablement joué aussi un rôle lors des premières centaines de millions d'années du cosmos observable quand sont nées les premières étoiles. On pense qu'elles étaient très massives, au moins de l'ordre de 100 masses solaires, et que leur rayonnement a contribué à re-ioniser la matière devenue neutre au moment de l'émission du rayonnement fossile, faisant sortir le Cosmos de la période des Âges Sombres au cours de la Renaissance cosmique. Enfin, ces astres ont produit les premiers noyaux d'oxygène, de carbone et d'azote. La naissance des étoiles massives est donc une clé pour comprendre l'évolution de l'Univers du Big Bang au vivant.

Une plongée à l'intérieur de la nébuleuse de la Tarentule avec Hubble. 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 ». © HubbleESA

Une nouvelle limite pour la masse des étoiles

Au milieu des années 1950 le grand astrophysicien Edwin Salpeter a proposé une loi empirique donnant le nombre d'étoiles d'une masse donnée et nouvellement formées sur la séquence principale, en particulier celles qui sont plus massives que le Soleil. C'est la fonction initiale de masse (IMF, Initial Mass Function). On cherche aujourd'hui à la comprendre et surtout à savoir si elle est vraiment universelle. Les travaux menés jusqu'à présent aboutissaient à la conclusion que seulement 1 % des étoiles d'une pouponnière stellaire naissent avec des masses supérieures à dix fois celle du Soleil. Mais cette conclusion est remise en question par une équipe internationale d'astronomes partie à la chasse aux étoiles massives dans la nébuleuse de la Tarentule, située dans le Grand nuage de Magellan.

Comme ils l'expliquent dans un article publié dans Science, les chercheurs ont travaillé dans le cadre du VFTS (VLT-FLAMES Tarantula Survey), une campagne d'observation menée avec le VLT de l'ESO. Les étoiles massives sont rares et elles évoluent très rapidement, en quelques millions d'années tout au plus, et il est donc difficile de les débusquer pour préciser leur importance exacte dans le spectre de masses que donne l'IMF. Observer une région à sursauts de formation d'étoiles, où, donc, le taux de création d'étoiles est anormalement élevé, est une bonne stratégie. C'est le cas de la nébuleuse de la Tarentule qui, de plus, est proche de la Voie lactée et se trouve être la plus importante connue dans les galaxies du Groupe local.

Les astrophysiciens ont eu plusieurs surprises. Tout d'abord, parmi les presque 1.000 étoiles massives qu'ils ont étudiées, dont 250 environ de façon plus attentive, certaines atteignaient les 200 masses solaires, alors que beaucoup doutaient que ce soit possible. Si tel est bien le cas, cela voudrait dire que la limite de masses des étoiles se situe très probablement entre 200 et 300 masses solaires. Enfin, il y avait plus d'étoiles massives contenant au moins 30 masses solaires que ne le laissait prévoir l'IMF standard.

Cette découverte a plusieurs implications, comme l'explique Fabian Schneider, chercheur au Département de physique de l'université d'Oxford. « Nos résultats ont des conséquences profondes pour la compréhension du Cosmos. Il pourrait exister 70 % de plus de supernovae, un triplement de la production chimique des éléments par la nucléosynthèse stellaire et une production quatre fois plus importante de rayonnement ultraviolet ionisant par les populations d'étoiles massives. De plus, le taux de formation des trous noirs pourrait être augmenté de 180 %, ce qui se traduirait directement par une augmentation correspondante des fusions de trous noirs binaires qui ont été récemment détectées via leurs signaux d'ondes gravitationnelles. »

Les astrophysiciens avaient d'ailleurs été étonnés par les masses importantes des premières fusions d'étoiles binaires détectées par Ligo. Peut-être ne faut-il pas faire d'hypothèses exotiques, comme celle des trous noirs primordiaux, pour expliquer l'existence de ces sources d'ondes gravitationnelles.

  • Les astronomes cherchent à préciser le taux de naissance des étoiles massives dans les pouponnières d'étoiles, ce qui n'est pas facile.
  • L'une d'elles, la nébuleuse de la Tarentule, contient plus d'étoiles massives qu'on ne le pensait, ce qui repousse la limite de masse des étoiles et suggère que les supernovae sont plus fréquentes et qu'elles produisent plus de trous noirs massifs que prévu.
  • La nouvelle limite de masse d'une étoile pourrait être de 300 masses solaires, ce qui est cohérent avec les observations de Ligo de fusions d'étoiles binaires.
Pour en savoir plus

Chandra et Spitzer traquent les étoiles massives

Article de Jean-Baptiste Feldmann publié le 22/04/2011

Deux télescopes spatiaux travaillent de concert pour repérer les astres les plus massifs qui se cachent dans la poussière et le gaz de la Voie lactée.

Lancé en 1999, Chandra est un observatoire spatial qui étudie les émissions de rayons X en provenance des trous noirs, des supernovae ou des étoiles à neutrons, quelques-unes des sources célestes les plus énergétiques. Le nom de cet observatoire rend hommage à Subrahmanyan Chandrasekhar, l'un des pionniers de l'astrophysique du XXe siècle. Spitzer quant à lui est un télescope spatial qui scrute l'univers en infrarouge depuis 2003. Bien qu'à court d'hélium pour refroidir ses récepteurs, il continue d'observer le ciel dans des longueurs d'onde qui lui permettent de voir ce qui se passe derrière des nuages de poussière. Il nous a ainsi révélé dernièrement le nouveau visage de la nébuleuse North America.

Les astronomes ont décidé d'utiliser Spitzer et Chandra pour un relevé systématique des étoiles massives de la Voie lactée. Les deux observatoires sont complémentaires : Spitzer peut voir à travers les nuages obscurcissants situés au voisinage du plan de la Galaxie mais il fournit des images surchargées en étoiles. Chandra peut de son côté démasquer les plus massives trahies par l'intensité de leur rayonnement en rayons X.

Une patiente recherche

L'étude des étoiles massives qui nous entoure a commencé il y a une quinzaine d'années avec la mission Asca (pour Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics), un satellite japonais spécialisé dans l'étude des rayons X qui a été opérationnel de 1993 à l'an 2000. Asca avait alors déniché 160 sources de rayons X mais sa faible résolution spatiale n'avait permis d'en identifier qu'un tiers. Chandra fournit désormais des positions beaucoup plus précises de ces sources dont 4 ont été associées à des étoiles au moins vingt-cinq fois plus massives que le Soleil, situées entre 7.500 et 18.000 années-lumière de la Terre. Pour expliquer la brillance de ces étoiles en rayons X, les astronomes ont proposé le scénario suivant. Les vents stellaires violents qui s'échappent de ces astres à plus de 3 millions de kilomètres à l'heure rencontrent parfois le vent stellaire d'autres étoiles environnantes. L'onde de choc qui résulte de ces collisions génère des températures jusqu'à 100 millions de degrés et une forte production de rayons X.

L'image ci-dessous montre un des champs stellaires étudiés par Spitzer à proximité du plan galactique. Les deux carrés assombris artificiellement permettent de localiser deux des quatre étoiles massives (en bleu) détectées par Chandra comme étant des sources à fort rayonnement X.

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