Une paire d'étoiles au début d'une phase d'enveloppe commune. Dans cette impression d'artiste, nous avons une vue de très près d'un système binaire dans lequel deux étoiles viennent de commencer à partager la même atmosphère. La plus grande étoile, une étoile géante rouge, a créé une atmosphère immense et fraîche qui ne fait que tenir. La plus petite étoile orbite de plus en plus vite autour du centre de masse des étoiles, tournant sur son propre axe et interagissant de façon spectaculaire avec son nouvel environnement. l'interaction crée des jets puissants qui projettent du gaz depuis ses pôles et un anneau de matière se déplaçant plus lentement à son équateur. Crédit : Danielle Futselaar, artsource.nl
Contrairement à notre Soleil, la plupart des étoiles vivent avec un compagnon. Parfois, deux se rapprochent tellement que l'un engloutit l'autre – avec des conséquences de grande envergure. Quand une équipe d'astronomes dirigée par Chalmers a utilisé le télescope ALMA pour étudier 15 étoiles inhabituelles, ils ont été surpris de découvrir qu'elles avaient toutes récemment subi cette phase. La découverte promet de nouvelles perspectives sur les phénomènes les plus dramatiques du ciel - et sur la vie, la mort et la renaissance parmi les étoiles.
À l'aide du gigantesque télescope ALMA au Chili, une équipe de scientifiques dirigée par Chalmers a étudié 15 étoiles inhabituelles dans notre galaxie, la voie Lactée, les 5000 années-lumière les plus proches de la Terre. Leurs mesures montrent que toutes les étoiles sont doubles, et toutes ont récemment connu une phase rare qui est mal comprise, mais qui est censée conduire à de nombreux autres phénomènes astronomiques. Leurs résultats sont publiés cette semaine dans la revue scientifique Nature Astronomy.
En dirigeant les antennes d'ALMA vers chaque étoile et en mesurant la lumière de différentes molécules à proximité de chaque étoile, les chercheurs espéraient trouver des indices sur leurs histoires. Surnommées « fontaines d'eau », ces étoiles étaient connues des astronomes en raison de la lumière intense des molécules d'eau – produites par un gaz inhabituellement dense et rapide.
Située à 5000 m au-dessus du niveau de la mer au Chili, l'ALMA est sensible à la lumière avec des longueurs d'onde d'environ un millimètre, invisible à l'œil humain, mais idéale pour regarder à travers les couches de nuages poussiéreux de la Voie lactée vers des étoiles couvertes de poussière.
"Nous étions très curieux à propos de ces étoiles car elles semblent souffler des quantités de poussière et de gaz dans l'espace, certaines sous la forme de jets avec des vitesses allant jusqu'à 1.8 million de kilomètres par heure. Nous pensions que nous pourrions trouver des indices sur la façon dont les jets ont été créés, mais au lieu de cela, nous avons trouvé bien plus que cela », explique Theo Khouri, premier auteur de la nouvelle étude.
Image d'ALMA du système d'étoiles fontaine d'eau W43A, qui se trouve à environ 7000 années-lumière de la Terre dans la constellation de l'Aquila, l'Aigle. L'étoile double en son centre est beaucoup trop petite pour être résolue sur cette image. Cependant, les mesures d'ALMA montrent que l'interaction des étoiles a modifié son environnement immédiat. Les deux jets éjectés des étoiles centrales sont vus en bleu (s'approchant de nous) et en rouge (s'éloignant). Les nuages poussiéreux entraînés par les jets sont représentés en rose. Crédit : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), D. Tafoya et al.
Les étoiles perdent jusqu'à la moitié de leur masse totale
Les scientifiques ont utilisé le télescope pour mesurer les signatures des molécules de monoxyde de carbone, le CO, à la lumière des étoiles, et ont comparé les signaux de différents atomes (isotopes) de carbone et d'oxygène. Contrairement à sa molécule sœur, le dioxyde de carbone, le CO2, le monoxyde de carbone est relativement facile à découvrir dans l'espace et constitue l'outil de prédilection des astronomes.
« Grâce à la sensibilité exquise d'ALMA, nous avons pu détecter les signaux très faibles de plusieurs molécules différentes dans le gaz éjecté par ces étoiles. Lorsque nous avons examiné de près les données, nous avons vu des détails que nous ne nous attendions vraiment pas à voir », explique Theo Khouri.
Les observations ont confirmé que les étoiles soufflaient toutes de leurs couches externes. Mais les proportions des différents atomes d'oxygène dans les molécules indiquaient que les étoiles n'étaient à un autre égard pas aussi extrêmes qu'elles le paraissaient, explique Wouter Vlemmings, membre de l'équipe, astronome à Chalmers.
« Nous avons réalisé que ces étoiles commençaient leur vie avec la même masse que le Soleil, ou seulement quelques fois plus. Nos mesures ont montré qu'ils ont éjecté jusqu'à 50 % de leur masse totale, rien qu'au cours des cent dernières années. Quelque chose de vraiment dramatique a dû leur arriver », dit-il.
Pourquoi de si petites étoiles perdaient-elles autant de masse si rapidement ? Les preuves indiquaient toutes une explication, ont conclu les scientifiques. C'étaient toutes des étoiles doubles, et elles venaient toutes de traverser une phase dans laquelle les deux étoiles partageaient la même atmosphère – une étoile entièrement embrassée par l'autre.
« Dans cette phase, les deux étoiles orbitent ensemble dans une sorte de cocon. Cette phase, que nous appelons une phase « enveloppe commune », est vraiment brève, et ne dure que quelques centaines d'années. En termes astronomiques, c'est fini en un clin d'œil », déclare Daniel Tafoya, membre de l'équipe.
La plupart des étoiles des systèmes binaires orbitent simplement autour d'un centre de masse commun. Ces stars, pourtant, partagent la même atmosphère. Cela peut être une expérience qui change la vie d'une étoile et peut même conduire à la fusion complète des étoiles.
Des indices sur l'avenir
Les scientifiques pensent que ce genre d'épisode intime peut conduire à certains des phénomènes les plus spectaculaires du ciel. Comprendre comment cela se produit pourrait aider à répondre à certaines des plus grandes questions des astronomes sur la façon dont les étoiles vivent et meurent, explique Theo Khouri.
« Que se passe-t-il pour provoquer une explosion de supernova ? Comment les trous noirs se rapprochent-ils suffisamment pour entrer en collision ? Qu'est-ce qui rend les objets beaux et symétriques que nous appelons nébuleuses planétaires ? Les astronomes soupçonnent depuis de nombreuses années que les enveloppes communes font partie des réponses à des questions comme celles-ci. Nous avons maintenant une nouvelle façon d'étudier cette phase capitale mais mystérieuse », dit-il.
Comprendre la phase d'enveloppe commune aidera également les scientifiques à étudier ce qui se passera dans un avenir très lointain, lorsque le Soleil deviendra lui aussi une étoile plus grosse et plus froide - une géante rouge - et engloutira les planètes les plus intimes.
« Nos recherches nous aideront à comprendre comment cela pourrait se produire, mais cela me donne une autre perspective plus optimiste. Lorsque ces étoiles s'embrassent, elles envoient de la poussière et du gaz dans l'espace qui peuvent devenir les ingrédients des générations futures d'étoiles et de planètes, et avec elles le potentiel d'une nouvelle vie », explique Daniel Tafoya.
Étant donné que les 15 étoiles semblent évoluer à l'échelle humaine, l'équipe prévoit de continuer à les surveiller avec ALMA et avec d'autres radiotélescopes. Avec les futurs télescopes de l'observatoire SKA, ils espèrent étudier comment les étoiles forment leurs jets et modifient leur environnement. Ils espèrent aussi en trouver plus – s'il y en a.
"En fait, nous pensons que les "fontaines d'eau" connues pourraient être presque tous les systèmes de leur genre dans l'ensemble de notre galaxie. Si c'est vrai, alors ces étoiles sont vraiment la clé pour comprendre le processus le plus étrange, le plus merveilleux et le plus important que deux étoiles puissent expérimenter dans leur vie ensemble », conclut Theo Khouri.
Référence : « Identification observationnelle d'un échantillon d'événements d'enveloppe commune probablement récents » par Theo Khouri, Wouter HT Vlemmings, Daniel Tafoya, Andrés F. Pérez-Sánchez, Carmen Sánchez Contreras, José F. Gómez, Hiroshi Imai et Raghvendra Sahai, 16 décembre 2021, Nature Astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-021-01528-4
La recherche est publiée dans l'article « Identification observationnelle d'un échantillon d'événements d'enveloppe commune récents probables » dans Astronomie de la nature, par Theo Khouri (Chalmers), Wouter HT Vlemmings (Chalmers), Daniel Tafoya (Chalmers), Andrés F. Pérez-Sánchez (Université de Leiden, Pays-Bas), Carmen Sánchez Contreras (Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), Espagne), José F. Gómez (Instituto de Astrofísica de Andalucía, CSIC, Espagne), Hiroshi Imai (Université de Kagoshima, Japon) et Raghvendra Sahai (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, États-Unis).
ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) est une installation internationale d'astronomie est un partenariat de ESO, la National Science Foundation (NSF) des États-Unis et les Instituts nationaux des sciences naturelles (NINS) du Japon en coopération avec la République du Chili. ALMA est financé par l'ESO au nom de ses États membres, par la NSF en coopération avec le Conseil national de recherches du Canada (NRC) et le ministère de la Science et de la Technologie (MOST) et par le NINS en coopération avec l'Academia Sinica (AS) à Taïwan et l'Institut coréen d'astronomie et des sciences spatiales (KASI).
Chalmers et Onsala Space Observatory sont impliqués dans ALMA depuis sa création ; récepteurs pour le télescope sont l'une des nombreuses contributions. L'observatoire spatial d'Onsala héberge le centre régional nordique ALMA, qui fournit une expertise technique au projet ALMA et aide les astronomes des pays nordiques à utiliser ALMA.
