Des astronomes observent le vent d’étoiles évoluées avec des détails sans précédents

Pour la première fois, des astronomes ont trouvé une explication aux formes fascinantes des nébuleuses planétaires. Cette découverte est basée sur l’ensemble d’observations le plus important et le plus détaillé à ce jour des vents stellaires autour d’étoiles géantes froides évoluées. Le vent des étoiles correspond à un flux de matière s’échappant de leur surface dans l’espace environnant. L’équipe a mis en évidence que les vents stellaires ne sont pas sphériques, contrairement à ce qui est généralement admis. Leur forme présente cependant de grandes similitudes avec celle des nébuleuses planétaires. Cette découverte a conduit à la conclusion que le même processus physique façonne à la fois les vents des étoiles évoluées et les nébuleuses planétaires. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

Lorsque leur carburant nucléaire s’épuise, les étoiles comme le Soleil grossissent considérablement et se refroidissent pour devenir des géantes rouges. Elles produisent alors des flots de particules, le vent stellaire, qui leur fait perdre une partie importante de leur masse. En l’absence d’observations suffisamment détaillées, les astronomes considéraient que ce vent stellaire était sphérique, comme les étoiles elles-mêmes. Lorsque l’étoile a perdu la majorité de sa matière, son cœur encore brulant est mis à nu, et la matière éjectée par l’étoile commence alors à briller formant une nébuleuse planétaire.

L’extraordinaire variété de formes et de couleurs des nébuleuses planétaires a toujours intrigué les astronomes. Elles semblent toutes avoir une certaine symétrie, mais ne sont presque jamais rondes. « Le Soleil – qui deviendra une géante rouge – est aussi rond qu’une boule de billard, et nous nous sommes donc demandé comment de telles étoiles pouvaient produire toutes ces formes différentes« , explique la professeure Leen Decin de l’université KU Leuven (Belgique), auteure principale de l’article.

L’équipe internationale constituée d’astronomes de 20 instituts de recherche a observé les vents stellaires d’un échantillon d’étoiles géantes rouges avec l’interféromètre ALMA au Chili. Trois établissements français (l’Observatoire de Paris, l’Université de Bordeaux et l’Observatoire de la Côte d’Azur) sont impliqués dans la collaboration, ainsi que l’Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM), un institut international dont le siège est à Grenoble. Pour la toute première fois, des astronomes ont pu rassembler une vaste collection d’observations détaillées, chacune d’entre elles ayant été réalisée en utilisant exactement la même méthode. Cela a été essentiel pour pouvoir comparer directement les données et exclure les biais. Et les résultats sont surprenants. « Nous avons remarqué que ces vents sont tout sauf symétriques ou ronds« , dit Leen Decin. « Certains d’entre eux sont en fait assez similaires en forme aux nébuleuses planétaires« .


 Galerie de vents stellaires autour d’étoiles géantes froides évoluées, observés par le projet ALMA ATOMIUM (fausses couleurs). L’étoile centrale (et son compagnon) sont à l’intérieur de la tache blanche centrale. Crédit : ESO/ATOMIUM (Decin et al. 2020).

Compagnons

Les astronomes ont même pu identifier différentes catégories de formes. « Certains vents stellaires étaient en forme de disque, d’autres contenaient des spirales et dans un troisième groupe, nous avons identifié des cônes. » C’était une indication claire que les formes n’étaient pas créées au hasard. L’équipe a réalisé que d’autres étoiles de faible masse ou même des planètes massives orbitant à proximité de l’étoile en fin de vie étaient à l’origine des différentes formes. Ces compagnons sont trop petits et trop faibles pour être détectés directement. « Tout comme une cuillère mélangeant du café avec un peu de lait dans une tasse peut créer un motif en spirale, le compagnon aspire la matière vers lui alors qu’elle tourne autour de l’étoile et façonne le vent stellaire« , explique Leen Decin.

L’équipe a transposé cette théorie dans des modèles, et en effet : la forme des vents stellaires peut être expliquée par les compagnons qui les entourent. Leen Decin conclut : « Toutes nos observations s’expliquent par le fait que les étoiles ont un compagnon« .

« Depuis longtemps, deux théories s’affrontaient pour expliquer la forme des nébuleuses planétaires : l’une invoquant le rôle possible du champ magnétique, l’autre l’influence d’un compagnon proche de l’étoile. Cette étude clôt le débat » explique Fabrice Herpin du Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux.

L’avenir du Soleil

L’étude nous aide également à imaginer à quoi pourrait ressembler le Soleil lorsqu’il mourra dans 7 milliards d’années. « Jupiter ou même Saturne – de par leurs grandes masses – vont influencer le fait que le Soleil passe ses derniers millénaires au cœur d’une spirale, d’un papillon ou de l’une des autres formes envoûtantes que nous observons pour les nébuleuses planétaires aujourd’hui« , note Leen Decin. « Nos calculs indiquent maintenant qu’une spirale peu brillante va se former dans le vent stellaire du Soleil quand celui-ci mourra« .

Cette étude fait partie du projet ATOMIUM (ALMA tracing the origins of molecules forming dust in oxygen-rich M-type stars), qui vise à en apprendre davantage sur la physique et la chimie des étoiles en fin de vie. « Les étoiles évoluées sont considérées comme ennuyeuses, vieilles et simples, mais nous avons démontré qu’elles ne le sont pas : elles racontent le récit de notre futur. Il nous a fallu un certain temps pour réaliser que les vents stellaires peuvent avoir la forme de pétales de rose (voir, par exemple, le vent stellaire de R Aquilae), mais, comme l’a dit Antoine de Saint-Exupéry dans son livre Le Petit Prince : « C’est le temps que tu as perdu pour ta rose, qui fait ta rose si importante » conclut Decin.

Plus d’informations

« (Sub-)stellar companions shape the winds of evolved stars » de Leen Decin et al., Science, 18 septembre 2020

Contact

Fabrice Herpin, Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Université de Bordeaux/CNRS,  fabrice.herpin@u-bordeaux.fr, tél : 05 40 00 32 75