Communiqué de presse

Les plus grosses étoiles ne vivent pas seules

Le VLT a découvert que la plupart des étoiles très massives vivent en binômes en interaction

26 juillet 2012

Une nouvelle étude, réalisée avec le très grand télescope (VLT) de l’ESO, a montré que la plupart des étoiles de grande masse très brillantes, qui conditionnent l’évolution des galaxies, ne vivent pas seules. Pratiquement les trois quarts de ces étoiles se révèlent avoir à proximité une étoile « compagne », bien plus que ce que l’on imaginait auparavant. Etonnamment, la plupart de ces binômes connaissent des interactions qui les perturbent, comme des transferts de masse d’une étoile à l’autre et environ un tiers de ces binômes est même supposé fusionner pour ne former au final qu’une seule étoile. Les résultats de cette étude sont publiés dans l’édition du 27 juillet 2012 de la revue Science.

L’Univers est un endroit très varié et nombreuses sont les étoiles assez différentes du Soleil. Une équipe internationale a utilisé le VLT pour étudier ce que l’on appelle les étoiles de type O. Ces étoiles ont une température très élevée, une masse très importante et sont très lumineuses [1]. Elles ont une vie courte et violente et jouent un rôle clé dans l’évolution des galaxies. Elles sont également liées à des phénomènes extrêmes comme les « étoiles vampires » - c'est-à-dire lorsqu’une étoile plus petite aspire la matière à la surface de sa voisine plus volumineuse – et les sursauts gamma.

 «  Ces étoiles sont de véritables monstres » déclare Hugues Sana (University of Amsterdam, Pays-Bas), premier auteur de cette étude. « Elles ont une masse d’au moins 15 fois la masse du Soleil et peuvent être jusqu’à un million de fois plus brillantes. Ces étoiles sont si chaudes qu’elles brillent d’une lumière bleuâtre très lumineuse et la température à leur surface dépasse les 30 000 degrés Celsius. »

Ces astronomes ont étudié un échantillon de 71 étoiles de type O individuelles et en paires (étoiles binaires) dans six jeunes amas d’étoiles de la Voie Lactée proches de la Terre.

La plupart des observations de leur étude ont été faites avec des télescopes de l’ESO, dont le VLT.

By analysing the light coming from these targets [2] in greater detail than before, the team discovered that 75% of all O-type stars exist inside binary systems, a higher proportion than previously thought, and the first precise determination of this number. More importantly, though, they found that the proportion of these pairs that are close enough to interact (through stellar mergers or transfer of mass by so-called vampire stars) is far higher than anyone had thought, which has profound implications for our understanding of galaxy evolution.

En analysant la lumière provenant de ces cibles [2] de manière bien plus précise que précédemment, cette équipe a découvert que 75% de toutes les étoiles de type O appartiennent à des systèmes binaires, une proportion plus importante que ce que l‘on pensait auparavant et la première détermination précise de ce nombre. Mais, plus important encore, ils ont trouvé que la proportion de ces paires dont les étoiles sont suffisamment proches l’une de l’autre pour interagir (par fusion stellaire ou par transfert de masse avec ce que l’on appelle les étoiles vampires) est de loin plus conséquente que quiconque ne l’avait imaginé, ce qui a des conséquences profondes pour notre compréhension de l’évolution des galaxies.

Les étoiles de type O constituent juste une fraction d’un pourcentage d’étoiles dans l’Univers, mais les phénomènes violents qui leur sont associés signifient qu’elles ont un effet considérable, sur leur environnement. Les vents et les chocs en provenance de ces étoiles peuvent à la fois déclencher et stopper la formation stellaire, leurs radiations alimentent le rayonnement des nébuleuses brillantes, leurs supernovae enrichissent les galaxies avec leurs éléments lourds essentiels à la vie et elles sont associées aux sursauts gamma, qui sont parmi les phénomènes les plus énergétiques de l’Univers. Les étoiles de type O sont par conséquent impliquées dans de nombreux mécanismes qui conditionnent l’évolution des galaxies.

 «  La vie d’une étoile est fortement affectée s’il y a une autre étoile dans son voisinage, » déclare Selma de Mink (Space Telescope Science Institute, USA), co-auteur de l’étude. « Si deux étoiles sont en orbite l’une autour de l’autre en étant très proches, elles peuvent finalement fusionner. Mais, même si elles ne le font pas, une des étoiles aspirera bien souvent la matière de la surface de sa voisine. »

Les fusions d’étoiles qui selon l’estimation de cette équipe constituent le sort final d’environ 20 à 30 % des étoiles de type O, sont des événements violents. Mais, même le scénario comparativement plutôt plus doux des étoiles vampires, qui compte pour une autre part de 40 à 50 % des cas, a de profonds effets sur l’évolution de ces étoiles.

Jusqu’à maintenant, les astronomes considéraient majoritairement que les orbites serrées d’étoiles binaires massives étaient une exception, quelque chose nécessaire seulement pour expliquer des phénomènes exotiques comme les binaires X (à rayonnement X), les pulsars doubles et les trous noirs binaires. Cette nouvelle étude montre que pour interpréter correctement l’Univers, on ne peut pas faire cette simplification : ces étoiles doubles massives ne sont pas simplement courantes, leur vie est fondamentalement différente de celle des étoiles individuelles.

Par exemple, dans le cas des étoiles vampires, l’étoile la plus petite et de plus faible masse est rajeunie car elle aspire l’hydrogène « neuf » de sa compagne. Sa masse va augmenter substantiellement et elle survivra à sa compagne, vivant même bien plus longtemps que ne le ferait une étoile individuelle de même masse. L’étoile victime, pendant ce temps, est dépouillée de son enveloppe avant d’avoir une chance de devenir une supergéante rouge lumineuse. Au lieu de cela, son cœur chaud bleu est mis à nu. De ce fait, la population stellaire d’une galaxie lointaine peut apparaître bien plus jeune qu’elle ne l’est réellement : les étoiles vampires rajeunies de même que les étoiles victimes dépouillées deviennent plus chaudes et de couleur plus bleue, mimant ainsi l’apparence d’étoiles plus jeunes. Connaitre la proportion réelle d’étoiles binaires massives en interaction est donc crucial pour caractériser correctement ces galaxies lointaines. [3]

 « La seule information qu’ont les astronomes sur les galaxies lointaines provient de la lumière qui atteint nos télescopes. Sans faire de supposition sur ce qui est à l'origine de cette lumière, nous ne pouvons pas dresser de conclusion concernant la galaxie, par exemple à propos de sa masse ou de son âge. Cette étude montre que l’hypothèse courante stipulant que la plupart des étoiles sont individuelles peut conduire à de mauvaises conclusions, » conclut Hugues Sana.

Comprendre l’importance de ces effets et dans quelle mesure cette nouvelle perspective changera notre vision de l’évolution galactique nécessite des études complémentaires. Faire des modèles d’étoiles binaires n’est pas simple, aussi, il faudra du temps avant que toutes ces considérations soient intégrées dans les modèles de formation des galaxies.

Notes

[1] La plupart des étoiles sont classées selon leur type spectral, autrement dit leur couleur. Cette classification est elle-même liée à la masse des étoiles et à la température de leur surface. Des plus bleues (et donc des plus chaudes et des plus massives) aux plus rouges (et donc des plus froides et des moins massives), la classification la plus commune est O, B, A, F, G, K et M. La température de la surface des étoiles de type O est d’environ 30 000 degrés Celsius ou plus et elles apparaissent d’un bleu pale brillant. Leur masse est d’au moins 15 fois celle du Soleil.

[2] Les étoiles qui composent des systèmes d’étoiles binaires sont généralement trop proches l’une de l’autre pour être vues directement en tant que deux points de lumière séparés. Toutefois, l’équipe a été capable de détecter leur nature binaire en utilisant l’instrument UVES (Ultraviolet and Visible Echelle Spectrograph) du VLT. Les spectrographes dispersent la lumière des étoiles comme un prisme décompose la lumière du Soleil en arc en ciel. De subtils motifs, semblables à un code-barres sont imprimés dans la lumière des étoiles. Ces motifs sont dus aux éléments se trouvant dans l’atmosphère des étoiles qui obscurcissent des couleurs spécifiques de la lumière. Quand les astronomes observent une étoile unique, ces motifs appelés raies d’absorption sont fixes, mais dans un système binaire, les raies respectives des deux étoiles sont légèrement décalées les unes par rapport aux autres du fait du mouvement des étoiles. L’amplitude avec laquelle ces raies sont décalées les unes par rapport aux autres et la manière qu’elles ont de bouger au cours du temps permettent aux astronomes de déterminer le mouvement des étoiles et par conséquent les caractéristiques de leur orbite, y compris de conclure si elles sont suffisamment proches l’une de l’autre pour échanger de la masse ou même fusionner.

[3] L’existence de ce grand nombre d’étoiles vampires s’accorde bien avec un phénomène auparavant inexpliqué. Pour environ un tiers des étoiles qui explosent en supernovae, on observe qu’elles ont étonnamment peu d’hydrogène. Cependant la proportion de supernovae pauvres en hydrogène correspond pratiquement à la proportion des étoiles vampires trouvées dans cette étude. Les étoiles vampires sont supposées provoquer des supernovae pauvres en hydrogène parmi leurs victimes, puisque les couches externes riches en hydrogène sont absorbées par la gravité de l’étoile vampire avant que la victime ne parvienne à exploser en supernova.

Plus d'informations

Cette recherche a été présentée dans un article intitulé "Binary interaction dominates the evolution of massive stars", H. Sana et al., publié dans la revue Science du 27 July 2012.

L'équipe est composée de H. Sana (Amsterdam University, Pays-Bas), S.E. de Mink (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA; Johns Hopkins University, Baltimore, USA), A. de Koter (Amsterdam University; Utrecht University, Pays-Bas), N. Langer (University of Bonn, Allemagne), C.J. Evans (UK Astronomy Technology Centre, Edinburgh, Royaume Uni), M. Gieles (University of Cambridge, Royaume Uni), E. Gosset (Liege University, Belgique), R.G. Izzard (University of Bonn), J.-B. Le Bouquin (Université Joseph Fourier, Grenoble, France) et F.R.N. Schneider (University of Bonn).

L'année 2012 marque le 50e anniversaire de la création de l'Observatoire Européen Austral (ESO). L'ESO est la première organisation intergouvernementale pour l'astronomie en Europe et l'observatoire astronomique le plus productif au monde. L'ESO est soutenu par 15 pays : l'Allemagne, l'Autriche, la Belgique, le Brésil, le Danemark, l'Espagne, la Finlande, la France, l'Italie, les Pays-Bas, le Portugal, la République Tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse. L'ESO conduit d'ambitieux programmes pour la conception, la construction et la gestion de puissants équipements pour l'astronomie au sol qui permettent aux astronomes de faire d'importantes découvertes scientifiques. L'ESO joue également un rôle de leader dans la promotion et l'organisation de la coopération dans le domaine de la recherche en astronomie. L'ESO gère trois sites d'observation uniques, de classe internationale, au Chili : La Silla, Paranal et Chajnantor. À Paranal, l'ESO exploite le VLT « Very Large Telescope », l'observatoire astronomique observant dans le visible le plus avancé au monde et deux télescopes dédiés aux grands sondages. VISTA fonctionne dans l'infrarouge. C'est le plus grand télescope pour les grands sondages. Et, le VLT Survey Telescope (VST) est le plus grand télescope conçu exclusivement pour sonder le ciel dans la lumière visible. L'ESO est le partenaire européen d'ALMA, un télescope astronomique révolutionnaire. ALMA est le plus grand projet astronomique en cours de réalisation. L'ESO est actuellement en train de programmer la réalisation d'un télescope européen géant (E-ELT pour European Extremely Large Telescope) de la classe des 40 mètres qui observera dans le visible et le proche infrarouge. L'E-ELT sera « l'œil le plus grand au monde tourné vers le ciel ». 

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Courriel: h.sana@uva.nl

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Tél: +1 410 338 4304
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Ce texte est une traduction du communiqué de presse de l'ESO eso1230.