Un mystère cosmique : des astronomes capturent une étoile mourante en train de souffler des anneaux de fumée

Les astronomes ont surpris une étoile géante rouge traversant son agonie finale avec des détails sans précédent, révélant une caractéristique inhabituelle. L’étoile, connue sous le nom de V Hydrae (ou V Hya en abrégé), a éjecté six anneaux distincts de matière, selon une préimpression acceptée pour publication dans l’Astrophysical Journal. Le mécanisme spécifique de ces mystérieux « anneaux de fumée » formés n’est pas encore compris. Pourtant, l’observation pourrait potentiellement bouleverser les modèles actuels pour cette étape tardive particulière de l’évolution stellaire et éclairer davantage le sort de notre propre Soleil.

« V Hydrae a été pris en train de perdre son atmosphère – en fin de compte la majeure partie de sa masse – ce que font la plupart des géantes rouges de stade avancé », a déclaré le co-auteur Mark Morris, astronome à l’UCLA. Cependant, « C’est la première et la seule fois qu’une série d’anneaux en expansion a été vue autour d’une étoile qui est à l’agonie – une série d ‘«anneaux de fumée» en expansion que nous avons calculés sont soufflés tous les quelques centaines d’années.

Les géantes rouges sont l’une des dernières étapes de l’évolution stellaire. Une fois que le noyau d’une étoile cesse de convertir l’hydrogène en hélium via la fusion nucléaire, la gravité commence à comprimer l’étoile, augmentant sa température interne. Ce processus enflamme une coquille d’hydrogène brûlant autour d’un noyau inerte. Finalement, la compression et le chauffage dans le noyau provoquent une expansion significative de l’étoile, atteignant des diamètres compris entre 62 millions et 620 millions de miles (100 millions à 1 milliard de kilomètres). Les températures de surface sont relativement fraîches selon les normes stellaires : à peine 4 000 à 5 800 degrés F (2 200 à 3 200 degrés C). Ces étoiles prennent donc une apparence rouge orangée, d’où le surnom de géante rouge.

Finalement, l’hélium dans le noyau d’une géante rouge sera épuisé et le noyau rétrécira à nouveau. L’étoile devient alors une étoile asymptotique à branche géante (AGB) (l’étape finale de la géante rouge). La structure intérieure d’une étoile AGB se compose d’un noyau central de carbone et d’oxygène, d’une coquille où la fusion transforme l’hélium en carbone et d’une autre coquille où l’hydrogène se transforme en hélium. Ces étoiles produisent généralement des impulsions spectaculaires de luminosité accrue tous les 100 à 1 000 jours. De plus, des vents de surface intenses provoquent la formation d’un nuage gazeux appelé enveloppe circumstellaire autour de l’étoile.

Ces vents stellaires intenses finiront par expulser l’atmosphère et l’enveloppe stellaire, et l’étoile deviendra une étoile naine blanche dans une nébuleuse planétaire. Plus la vitesse à laquelle une étoile AGB perd sa masse est rapide, plus elle est proche de cette transition finale. Notre Soleil finira par devenir une géante rouge dans environ 5 milliards d’années, progressant finalement vers un AGB avant d’évoluer finalement vers une nébuleuse planétaire avec une étoile naine blanche en son centre.

C’est le processus tel que les astronomes l’ont compris depuis des années. Les caractéristiques inhabituelles de V Hya les amènent cependant à repenser les choses. Située à 1 300 années-lumière dans la constellation de l’Hydre, V Hya est une étoile riche en carbone, ce qui signifie que son atmosphère contient plus de carbone que d’oxygène. Il a un taux de perte de masse élevé, donc les astronomes supposent qu’il est probablement en train de se débarrasser de son atmosphère pour devenir une nébuleuse planétaire.

Cette étoile AGB est également intrigante car tous les huit ans environ, il y a de grandes éruptions de plasma et de fortes baisses de luminosité se produisent environ tous les 17 ans. Ces événements suggèrent la présence d’une étoile compagne à peine visible. (Les baisses de luminosité pourraient être causées par un nuage lié à cette deuxième étoile passant devant V Hya.)

Cette dernière étude combine les données du télescope spatial Hubble avec des observations à l’aide de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), incorporant des données infrarouges, optiques et ultraviolettes pour capturer l’agonie de V Hya sur plusieurs longueurs d’onde. L’étoile est loin et entourée d’une poussière dense, mais les capacités de résolution plus élevée d’ALMA ont révélé ses anneaux et ses écoulements avec beaucoup de détails.

Le moment était également fortuit. « V Hya est dans la phase de transition brève mais critique que traversent les étoiles mourantes à la fin de leur vie », a déclaré le co-auteur Raghvendra Sahai, astronome au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. « C’est la phase où ils perdent le plus de leur masse. Il est probable que cette phase ne dure pas très longtemps, il est donc difficile de les prendre sur le fait. Nous avons eu de la chance avec V Hya et avons pu imaginer toutes les différentes activités qui se déroulent dans et autour de cette étoile pour mieux comprendre comment les étoiles mourantes perdent de la masse à la fin de leur vie.

Sahai et ses co-auteurs ont découvert que l’étoile perdait son atmosphère en soufflant une série d’anneaux de fumée, qui se sont étendus vers l’extérieur au cours des 2 100 dernières années environ pour former une région poussiéreuse en forme de disque autour de V Hya. L’équipe a baptisé cette structure DUDE (disque en expansion dynamique).

Leurs observations ont également révélé des explosions de gaz à grande vitesse expulsées de l’étoile dans des directions opposées, perpendiculaires aux anneaux de fumée, formant deux structures en forme de sablier. Ces structures se développent rapidement à plus d’un demi-million de miles par heure (240 km/s). « La découverte que ce processus peut impliquer des éjections d’anneaux de gaz, simultanées à la production de jets de matière intermittents à grande vitesse, apporte une nouvelle et fascinante ride à notre compréhension de la façon dont les étoiles finissent leur vie », a déclaré Morris.

Tout cela suggère que l’étoile connaît une évolution particulièrement rapide, qui va à l’encontre du modèle actuel. « Notre étude révèle de manière spectaculaire que le modèle traditionnel de la mort des étoiles AGB – par l’éjection massive de carburant via un vent sphérique lent et relativement stable sur 100 000 ans ou plus – est au mieux incomplet, ou au pire, incorrect », a déclaré Sahai. « Il est très probable qu’un proche compagnon stellaire ou sous-stellaire joue un rôle important dans leur mort. Dans le cas de V Hya, la combinaison d’une étoile proche et d’une hypothétique étoile compagnon éloignée est responsable, au moins dans une certaine mesure, de la présence de ses six anneaux et des écoulements à grande vitesse qui causent la mort miraculeuse de l’étoile.