10 choses que nous ne savons pas sur les étoiles massives.

Ces bêtes rares sont essentielles à l'univers mais souvent mal comprises. Voici les questions les plus importantes auxquelles sont confrontés les astronomes.

Par Yaël Nazé  | Publication: vendredi 11 octobre 2019

La lumière bleue émane des jeunes étoiles massives qui résident près du centre de la nébuleuse de la tarentule.

NASA / N. Walborn et J. Maíz-Apellániz (STScI) / R. Barbá (Observatoire de La Plata)

L'univers continue de dérouter les grands esprits de notre époque. Pourtant, demandez à la plupart des gens où se trouvent les mystères les plus profonds, et vous êtes susceptible d'entendre des discussions sur l'origine et le destin du cosmos, la nature de la matière noire et l'existence de la vie extraterrestre. Les astronomes doivent avoir compris tout ce qu'il y a à savoir sur les objets banals comme les étoiles, non?

Mais non. Ces blocs de construction omniprésents des galaxies détiennent encore de nombreux secrets. Les plus grandes questions entourent les étoiles avec le plus de masse. À l'échelle cosmique, ces mastodontes rares ne durent qu'un clin d'œil. Pourtant, dans leur courte vie, ils forgent des éléments lourds - la matière première des futures générations d'étoiles, de planètes et peut-être de la vie - puis les éjectent dans le cosmos dans des explosions titanesques.

Il y a dix ans, Cássio Barbosa de l'Université brésilienne de São Paulo et Donald Figer de l'Institut de technologie de Rochester ont interrogé leurs collègues chercheurs pour découvrir les questions les plus pressantes auxquelles étaient confrontés les théoriciens et les observateurs. Voici 10 sujets qui occupent toujours leur esprit.

Le vaisseau spatial Gaia mesurera des distances précises jusqu'à un milliard d'étoiles, y compris - pour la première fois - des étoiles de masse élevée.

ESA

1. À quelle distance se trouvent les étoiles massives?

C'est une question si simple, il semble extraordinaire que nous ne connaissions pas encore la réponse. Après tout, les astronomes ont des distances précises par rapport à une multitude d'étoiles de faible masse et de taille moyenne. La meilleure méthode pour obtenir des distances fiables consiste à mesurer la position d'une étoile proche par rapport à des objets plus éloignés des côtés opposés de l'orbite terrestre. La trigonométrie simple convertit ensuite le déplacement angulaire observé de l'étoile en distance.

Malheureusement, ces angles sont si petits que la méthode ne peut être appliquée qu'aux voisins proches du Soleil. Avant 1989, cette technique n'avait donné que quelques centaines de distances précises. Les choses ont changé cette année-là avec le lancement du satellite Hipparcos de l'Agence spatiale européenne (ESA). Grâce à sa mission de 3,5 ans, les astronomes avaient des distances fiables - ce qui signifie une incertitude de moins de 10% - à près de 120 000 étoiles sur quelque 300 années-lumière.

Pourtant, cet échantillon apparemment important de voisins solaires ne contient pas une seule étoile massive. Ces poids lourds sont si rares que le plus proche se trouve à plus de 300 années-lumière. Les astronomes ne peuvent estimer que les distances à ces étoiles: l'étoile de type O la plus proche, Zeta (ζ) Ophiuchi, se trouve à environ 370 années-lumière; l'étoile Wolf-Rayet la plus proche appartient au système binaire Gamma² (γ²) Velorum, et elle s'enregistre à une distance de plus de 1000 années-lumière.

Sans une distance précise, il est impossible de connaître les propriétés réelles d'une étoile, comme la luminosité, ce qui entraîne une incertitude dans les modèles théoriques. Les étoiles massives se classent facilement comme les plus lumineuses du cosmos - les plus brillantes éclipsent le Soleil par un million de fois. Et ce sont les seules étoiles suffisamment brillantes pour que nous puissions les voir dans des galaxies lointaines. Ainsi, une meilleure compréhension des étoiles massives améliorera nos connaissances en astronomie extragalactique.

Ce premier problème devrait être résolu le plus rapidement. L'ESA a lancé Gaia, un successeur d'Hipparcos, en 2013. Ce satellite, qui se trouve à près d'un million de kilomètres au-delà de la Lune, devrait atteindre des distances précises d'un milliard d'étoiles jusqu'à une distance de 30 000 années-lumière. C'est assez loin pour identifier une fraction significative de toutes les étoiles massives de la Voie lactée.

2. Comment se forment les étoiles massives?

La naissance d'étoiles monstres provoque des querelles animées entre spécialistes. Deux théories s'affrontent. Dans le premier, des étoiles massives se forment comme leurs cousins ​​de faible masse. La gravité provoque l'effondrement et la fragmentation d'un nuage de gaz interstellaire, avec la formation de grandes et de petites étoiles.

Le problème: les objets massifs devraient déclencher des réactions nucléaires bien avant d'atteindre leur forme définitive. Les réactions émettent un rayonnement intense qui devrait empêcher plus de matière de tomber. Une légère altération peut sauver cette idée. Les scientifiques suggèrent maintenant que les plus gros fragments deviennent des protostars de taille moyenne, chacun entouré d'un disque d'accrétion. Les étoiles en croissance prennent du poids en se nourrissant de leurs disques. Les observations ont trouvé au moins une étoile massive, située dans la nébuleuse Omega (M17), se formant comme le prédit ce modèle.

Un autre groupe a effectué des simulations qui montrent que les instabilités du processus de formation créent des canaux pour canaliser le rayonnement tout en permettant au gaz de s'accumuler.

D'autres observations impliquent que des étoiles massives naissent lorsque des objets plus petits entrent en collision - la deuxième théorie de la formation d'étoiles de masse élevée. La plupart des grandes étoiles vivent en grappes, et plus une grappe contient d'étoiles, plus les étoiles sont grandes et massives. Les observations aux rayons X révèlent de nombreuses étoiles de faible masse près des objets massifs. Pourraient-ils être un réservoir de nourriture?

Les simulations informatiques montrent que les collisions peuvent être une méthode efficace pour créer des étoiles massives. Néanmoins, toutes les étoiles massives n'appartiennent pas à des amas. Ces joyaux solitaires sont-ils nés d'une manière différente, ou ont-ils été violemment éjectés de leur lieu de naissance?

Pour le moment, les astronomes doivent encore parvenir à un consensus. Certains scientifiques pensent que les deux processus pourraient agir simultanément.

Certaines des étoiles les plus massives connues appartiennent à l'amas d'étoiles dense R136a, situé au cœur de la nébuleuse de la tarentule (NGC 2070) dans le Grand Nuage de Magellan.

NASA / John Trauger (JPL) / James Westphal (Caltech)

3. Quelle est la masse maximale d'une étoile?

Au début de ce siècle, certains chercheurs ont affirmé avoir découvert des étoiles aux masses extraordinaires. Par exemple, R136a - la région centrale de la nébuleuse de la tarentule qui forme des étoiles dans le grand nuage magellanique (LMC) - était considérée comme une seule étoile contenant 2 500 masses solaires. Cependant, l'illusion est passée. La plupart de ces estimations de masse ont été faites par des moyens indirects. De meilleures observations ont montré que les étoiles apparemment ultra-massives sont des amas denses d'étoiles plus petites possédant des masses plus raisonnables.

Pourtant, il est difficile de déterminer le poids des étoiles massives. Des études statistiques de grands amas ont montré qu'il n'existait aucune étoile de masse supérieure à 150 à 200 masses solaires. La seule méthode fiable consiste à étudier les orbites d'étoiles binaires. La taille et la période d'une orbite dépendent des masses stellaires. À ce jour, deux paires binaires semblent les plus prometteuses. L'une de ces paires, la WR 20a de la Voie lactée, contient deux étoiles qui pèsent chacune environ 80 masses solaires.

Cependant, des étoiles plus massives peuvent être là-bas. Par exemple, l'étoile HD 15558 peut contenir 152 masses solaires - plus ou moins 46 masses solaires; l'étoile WR 25 peut contenir 75 masses solaires.

Outre l'observation directe, les astronomes se demandent également s'il existe une limite physique au-delà de laquelle aucune étoile ne peut se former. Dans l'affirmative, la limite dépend-elle de la teneur en éléments lourds dans le gaz à partir duquel l'étoile s'est formée, des instabilités dans la structure de la protoétoile, des processus dynamiques au sein de l'amas ou des problèmes d'accrétion? -

Les premières étoiles de l'univers étaient des étoiles massives qui se sont formées environ 180 millions d'années après le Big Bang. Cette simulation informatique montre une concentration de densité centrale qui deviendra l'un de ces poids lourds.

Matthew Turk et Tom Abel (KIPAC, Stanford) / Greg Bryan (Columbia)

4. Quel rôle ont joué les stars massives après le Big Bang?

Dans les minutes qui ont suivi le Big Bang, l'univers n'a synthétisé que quelques éléments légers: l'hydrogène, l'hélium et le lithium. De ce mélange, les premières étoiles sont nées.

Les astronomes appellent cette génération stellaire initiale «Population III». Ces premières étoiles particulières ont joué un rôle crucial dans l'évolution cosmique car elles ont semé l'univers avec des éléments plus lourds et, grâce à leur rayonnement ionisant, ont rendu le cosmos à nouveau transparent. Ces liens manquants entre le Big Bang et aujourd'hui aideront les scientifiques à comprendre la face actuelle de l'univers.

Les modèles théoriques indiquent que ces étoiles sont nées 100 à 250 millions d'années après le Big Bang et contiennent chacune plusieurs centaines de fois la masse du Soleil. Ces énormes objets sont morts dans de gigantesques explosions de supernova qui ont éjecté tous les éléments synthétisés par ces «usines nucléaires» stellaires. Si nos os contiennent du calcium, nos ordinateurs du silicium et nos centrales électriques de l'uranium, remerciez ces étoiles et leurs descendants massifs. Personne ne sait comment de si grands objets se sont formés, ni même quelles propriétés ils possédaient. De tous les mystères auxquels sont confrontés les astrophysiciens, la vie des étoiles de la population III est peut-être la plus difficile à résoudre car aucune de leur espèce ne survit.

5. Comment se forment les étoiles binaires massives?

Les étoiles massives se présentent souvent par paires, tout comme les étoiles de masses inférieures. Si les théoriciens ont déjà du mal à déterminer comment se forment les étoiles massives uniques, le problème devient plus aigu avec les binaires.

Les astronomes ont développé plusieurs scénarios. La «capture» joue presque certainement un rôle. Dans un groupe, les étoiles se déplacent continuellement et se broutent parfois. Lorsque les étoiles se rencontrent, un couple peut se former, bien que les astronomes discutent de la fréquence à laquelle cela se produit.

Un deuxième processus implique la «fission». Une étoile qui tourne rapidement se gonfle à l'équateur. Augmentez la vitesse de rotation suffisamment haut, et il peut se casser en deux. Malheureusement, seuls les binaires proches peuvent se former par fission, et certains binaires massifs ont de larges séparations.

L'idée finale est la «fragmentation» - un nuage protostellaire se brise en plusieurs morceaux qui restent proches les uns des autres. Ou, un protostar peut être entouré d'un disque d'accrétion massif qui se fond dans une autre étoile.

Bien que les astronomes n'aient pas encore expliqué comment se forment les binaires massifs, la nature a trouvé un moyen de les créer. Des paires massives peuplent la galaxie, et certaines sont de véritables géants - chaque composant du WR 20a contient environ 80 fois la masse du Soleil.

Les planètes et les étoiles massives peuvent-elles coexister? Le jury est toujours absent, mais les scientifiques ont détecté des planètes encerclant le pulsar PSR B1257 + 12 - et les pulsars représentent l'étape finale de nombreuses étoiles de grande masse.

Lynette Cook

6. Les planètes peuvent-elles se former autour d'étoiles massives?

Aucune planète n'a été trouvée en orbite autour d'une énorme étoile. Mais l'absence de preuves n'est pas une preuve d'absence - en particulier dans ce cas, car la plupart des recherches sur la planète ont été effectuées sur des étoiles semblables au soleil.

Les planètes se forment à partir de disques circumstellaires de gaz et de poussière. Mais combien de temps ces disques peuvent-ils survivre autour d'étoiles massives? De plus, les étoiles lourdes épuisent leur combustible nucléaire en quelques millions d'années. Les planètes peuvent-elles se former aussi rapidement?

Enfin, les conditions proches d'une étoile massive ne sont pas favorables. Ces soleils chauds émettent de grandes quantités de rayonnement ultraviolet et de particules ionisées. Les vents stellaires emportent jusqu'à 10 milliards de fois plus de matière que le vent solaire à des vitesses de milliers de kilomètres par seconde. Donc, même si les planètes se forment autour d'étoiles massives, elles ne survivent pas longtemps.

Les champs magnétiques doivent être un facteur important dans le fonctionnement des étoiles massives, mais comment? Comme pour la rotation, les observations détaillées des champs magnétiques stellaires n'existent que pour le Soleil. Ici, des boucles de gaz chaud dans la couronne solaire suivent les lignes de champ magnétique.

TRACE

7. Quel rôle jouent la rotation et les champs magnétiques dans les étoiles massives?

Les astronomes n'ont pas développé les modèles stellaires actuels en une seule journée. Ces modèles complexes incluent déjà un grand nombre de paramètres, mais les scientifiques commencent seulement à inclure deux facteurs cruciaux: la rotation et les champs magnétiques.

Les astronomes voient la rotation partout dans l'univers. Les planètes et les étoiles tournent, les galaxies tournent et même les amas de galaxies conduisent leurs propres ballets célestes. Les chercheurs n'ont pas été paresseux en négligeant ce facteur dans leurs modèles stellaires; c'est juste que la rotation crée des problèmes théoriques et pratiques.

Bien que la puissance de calcul avancée commence à surmonter les obstacles numériques, d'autres problèmes subsisteront. Par exemple, comment les intérieurs des étoiles massives tournent-ils? Les recherches actuelles en astrosismologie commencent seulement à répondre à cette question. La première mesure de la rotation interne d'une étoile autre que le Soleil a été faite en 2003, et c'était pour un objet de masse inférieure. De plus, bien que les astronomes conviennent que la rotation est un paramètre vital, personne ne sait exactement comment elle influence la naissance et l'évolution des étoiles massives.

Les champs magnétiques appartiennent à la même catégorie. Ils semblent être omniprésents, apparaissant sur Terre, Jupiter, le Soleil, les pulsars et même dans le milieu interstellaire. Ils existent probablement dans des étoiles massives (et les astronomes ont même détecté quelques cas). Comme pour la rotation, cependant, l'inclusion de ce paramètre dans les modèles stellaires est une entreprise délicate, et les premières tentatives n'ont été faites que récemment. L'ajout de la rotation et des champs magnétiques modifiera-t-il nos idées sur les étoiles massives?

La variable bleu lumineux Eta Carine a éclaté dans les années 1840, lorsqu'elle brillait comme la deuxième étoile la plus brillante du ciel. Le gaz libéré cache alors en grande partie l'étoile, qui fait pencher la balance à environ 100 masses solaires. 

Jon Morse (Université du Colorado) / NASA

8. Comment évoluent les étoiles massives uniques?

La vie des étoiles massives, bien que courte, alimente un débat intense. Dans les grandes lignes, les astronomes utilisent le soi-disant scénario Conti pour décrire l'évolution de ces objets. Une étoile massive passe sa vie adulte comme une étoile de type O, émettant un vent stellaire rapide et assez dense.

Lorsque le combustible nucléaire commence à diminuer, l'étoile évolue soit en une supergéante rouge soit en une variable bleue lumineuse (LBV) en fonction de sa masse initiale. Au cours de cette étape, le vent stellaire de l'étoile augmente en densité et ralentit considérablement - à seulement quelques miles par seconde contre des milliers de miles par seconde pour l'étoile adulte. Les LBV connaissent même de gigantesques éruptions.

Ensuite, l'étoile devient une étoile Wolf-Rayet - la perte de masse diminue, mais le vent se lève. Tout au long de la vie de l'étoile, le vent éjecte de la matière et épluche efficacement l'étoile. Des couches avec des éléments lourds remontent progressivement à la surface. Une étoile Wolf-Rayet s'enrichit d'abord en azote (type WN), puis en carbone (type WC).

Le scénario Conti peut sembler clair, mais de nombreux détails restent vagues. Le domaine le plus controversé concerne la phase LBV: qu'est-ce qui déclenche et arrête les éruptions LBV? Est-ce que le contenu en métal de la star joue

un rôle au début de l'éruption? Les LBV les plus célèbres - Eta Carinae et HD 5980 - sont des systèmes binaires; est-ce une nécessité? Quelle est la masse stellaire la plus basse qui puisse créer un tel événement? Peut-on voir une signature de cette phase une fois que l'étoile évolue en Wolf-Rayet?

La matière s'écoule d'une étoile bleue massive vers une étoile à neutrons - le reste effondré d'une autre étoile lourde. Le transfert de matériaux dans des binaires massifs affecte les évolutions des deux étoiles d'une manière encore inconnue.

Illustration de la NASA

9. Comment évoluent les binaires massifs?

Les binaires massifs évoluent de manière encore plus complexe que les objets simples car les composants interagissent tout au long de leur vie. La présence d'un compagnon affecte de nombreuses propriétés stellaires. Par exemple, un compagnon massif peut déformer une étoile de manière tidale, de sorte qu'elle n'est plus sphérique. La présence du voisin modifie également la rotation de chaque étoile. Dans un système binaire, les périodes de rotation des étoiles sont souvent égales à leurs périodes orbitales, de sorte que chaque étoile montre le même visage à son compagnon tout au long de l'orbite.

Des phénomènes encore plus complexes se produisent. Dans les binaires massifs, les vents stellaires doubles entrent en collision, générant une intense émission de rayons X et des changements dans le spectre optique du système. Les astronomes commencent tout juste à étudier ces effets. Les partenaires spatiaux échangent probablement aussi de la matière, le partenaire cannibale aspirant le vent de son compagnon ou peut-être même une partie de sa surface. Que se passerait-il si l'étoile la plus massive et évoluée devenait soudain la moins massive?

Même si rien n'arrive au système pendant la vie des stars, que se passe-t-il si l'un des partenaires décède subitement? Le système peut-il survivre à une explosion de supernova? Et, dans l'affirmative, comment évoluerait un système binaire composé d'une étoile massive normale et d'une étoile à neutrons ou d'un trou noir? Des études montrent qu'un objet compact peut spirale vers son compagnon et peut même s'aventurer à l'intérieur de l'autre étoile. Comment cette situation changerait-elle l'évolution de l'autre étoile?

Les astronomes ont trouvé des systèmes binaires comprenant deux pulsars, nous savons donc que des binaires massifs peuvent survivre. Mais il reste encore un long chemin à parcourir avant de comprendre comment les systèmes parviennent à une telle fin.

Une masse chaotique de gaz et de poussière se dilate dans le reste de supernova N63A dans le Grand Nuage de Magellan. La plupart des étoiles massives meurent dans des explosions de supernova, bien que le mécanisme exact reste trouble.

NASA / ESA / L'équipe Hubble Heritage (STScI / AURA)

10. Comment meurent les étoiles massives?

Si les étoiles semblables au soleil meurent plutôt doucement, les étoiles massives se terminent par un cataclysme - une explosion de supernova annonce la mort de toute la galaxie et au-delà. Pourtant, les astronomes légistes ont des questions sur ce processus.

Une étoile massive explose après avoir épuisé le combustible nucléaire dans son cœur et ne génère plus d'énergie pour supporter le poids des couches externes de l'étoile. Le noyau s'effondre et génère une onde de choc qui devrait faire éclater les couches externes de l'étoile. Malgré des années d'efforts de théoriciens, cependant, les simulations informatiques ne peuvent toujours pas convertir de manière fiable l'effondrement en une explosion.

Les sursauts gamma - les explosions cosmiques les plus puissantes - soulèvent une autre question. Les astronomes ont montré que certaines de ces explosions sont liées à la mort d'étoiles massives. Mais personne ne sait comment cela se produit ou ce qui différencie une étoile qui se termine par un sursaut gamma au lieu d'une supernova.

Après la supernova, deux choses restent: du gaz chaud sous la forme d'un reste de supernova en expansion et un objet compact. La masse du noyau stellaire pré-supernova est-elle le seul facteur qui détermine si l'objet compact est un trou noir ou une étoile à neutrons? Et est-il possible que l'explosion puisse totalement déchirer le cœur de sorte qu'aucun cadavre ne soit laissé?

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/magazine/2019/10/10-things-we-dont-know-about-massive-stars?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR1bP17TP-HLfVCRORZKud23dcT6-FhPR_OCYh2ByqWlfHdNlt1wsthaP10