Étoiles mortes et planètes condamnées

Lorsque le Soleil mourra, il deviendra une naine blanche entourée des restes en décomposition des planètes, des astéroïdes et des comètes. Les astronomes regardent des destins similaires s'abattre sur des dizaines d'autres systèmes dans notre galaxie.

Par John H. Debes , Marc J. Kuchner  | Publication: lundi 27 juin 2016

SUJETS CONNEXES: SCIENCE SOLAIRE

Un disque poussiéreux entoure une jeune naine blanche, le reste d'une étoile semblable au soleil. Alors que les astéroïdes et les comètes pleuvent sur le nain, d'autres objets rocheux sont déchirés par sa gravité.

Don Dixon

Cet article a été initialement publié dans notre numéro de mars 2012. 

Un pont de nuages ​​bas était suspendu au-dessus du complexe de lancement de la base aérienne de Vandenberg, en Californie, le 14 décembre 2009. L'obscurité avant l'aube a explosé de lumière lorsqu'une fusée Delta II s'est allumée. Sa cargaison: le télescope spatial WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) de la NASA. La fusée a rapidement percé les nuages, une métaphore appropriée pour le télescope, dont la vision infrarouge pourrait pénétrer des nuages ​​de poussière pour révéler des sources de chaleur au-delà.

L'un des principaux objectifs de WISE était d'aider les scientifiques à comprendre la jeunesse de notre galaxie et la naissance du système solaire - et peut-être de raconter comment tout a commencé. Le télescope a inspecté le ciel entier au cours de sa mission de 10 mois. Il a découvert des naines brunes à proximité, exploré la formation d'étoiles dans des galaxies lointaines et observé des pépinières stellaires poussiéreuses et des bébés étoiles dans la Voie lactée.

À partir de 2010, un groupe d'astronomes a commencé à parcourir les rames de données de WISE pour étudier un phénomène beaucoup plus macabre: les disques de débris entourant les naines blanches. Ces objets bizarres ne sont pas du tout jeunes - ce sont les restes froids et morts d'étoiles de faible masse comme le Soleil et les pierres tombales de systèmes planétaires comme le nôtre. Pour expliquer pourquoi, nous devons vous raconter une histoire - une histoire de fantôme qui commence dans le futur.
 

Des disques poussiéreux entourent de nombreuses naines blanches dans notre galaxie. Ces disques sont les restes d'objets rocheux qui appartenaient aux systèmes planétaires des étoiles, et ils ont tendance à être petits (rarement plus grands que le diamètre complet des anneaux de Saturne, montré à l'extrême droite s'étendant jusqu'à l'anneau E faible). Le nombre de disques connus a bondi une fois que le télescope spatial Spitzer a commencé à les chasser en 2006.

Roen Kelly / John H. Debes

L'avenir de notre système solaire

Imaginez que c'est l'année 180 000 000, donnez ou prenez quelques millions. Le Soleil brûle son hydrogène depuis près de cinq milliards d'années maintenant, devenant progressivement plus gros et plus lumineux dans le processus. Ces changements sont sur le point de provoquer une catastrophe sur Terre. Mais ce n'est qu'un avant-goût de la catastrophe cosmique qui attend notre système solaire.

Premièrement, la Terre souffre d'une pénurie d'eau. Le rayonnement ultraviolet solaire déchire les molécules d'eau dans la stratosphère terrestre depuis le début. Lorsque l'hydrogène est arraché à ces molécules, la majeure partie de celui-ci s'échappe dans l'espace et l'eau est reconstituée par évaporation des océans de la Terre. Nous perdons lentement notre eau océanique de cette façon depuis la formation de la Terre.

Mais maintenant, la situation devient désastreuse. La circonférence croissante du Soleil provoque une inondation toujours croissante de rayonnement ultraviolet qui frappe l'atmosphère. Lorsque l'eau s'évapore des océans, elle aide l'atmosphère à retenir la chaleur, ce qui augmente encore le taux d'évaporation. Un effet de serre galopant transforme bientôt la surface de la Terre en un endroit gril et inhospitalier qui ressemble plus ou moins à Vénus. La vie telle que nous la connaissons - ou du moins à l'endroit où nous la connaissons - prend fin.

Mais la situation de notre planète continue de s'aggraver.

Alors que le Soleil continue de brûler à travers son hydrogène, une vaste boule d'hélium s'accumule dans son cœur. Finalement, ce combustible usé perturbe la structure du Soleil. À 12,2 milliards d'années, le Soleil se transforme en une géante rouge, se refroidissant et gonflant. Il s'étend sur un rayon d'environ 110 millions de miles (177 millions de kilomètres), assez grand pour engloutir notre planète avec Mercure et Vénus.

Tôt ou tard, le Soleil avalera probablement la Terre. Mais nous ne savons pas exactement quand, parce que le flux de particules chargées provenant du Soleil, appelé le vent solaire, s'intensifie dans ce scénario futur à mesure que notre étoile se dilate et provoque une perte de masse du Soleil. Ce faisant, toutes les planètes, astéroïdes, comètes, etc. qui gravitent autour du Soleil marchent vers de nouvelles orbites, plus loin de leur hôte stellaire rouge géant.

En attendant, l'évolution du Soleil secoue complètement toutes les comètes, astéroïdes et objets de la ceinture de Kuiper. Beaucoup d'entre eux se vaporisent dans la chaleur intense. (À son apogée, le Soleil déversera environ 2 700 fois plus de lumière qu'aujourd'hui.) Cela provoque la séparation de ces objets rocheux et la libération de poussière. D'autres corps trouvent leurs orbites déstabilisées lorsque les planètes se réorganisent. Ces objets volent autour du futur système solaire dans une frénésie.

En fin de compte, le Soleil souffle environ la moitié de sa masse dans des vents violents et des pulsations. Et, dans le processus, il cessera de tourner. Alors que la rotation du Soleil ralentit, des marées puissantes entraînent la Terre dans l'étoile gonflée. Puis, une fois que le Soleil a fait sauter la dernière de son enveloppe extérieure, il ne lui reste qu'une étrange et dense boule de combustible nucléaire irradié - une naine blanche.

Lorsque la naine blanche est née, elle se trouve au centre d'un nuage de gaz en expansion géant connu sous le nom de nébuleuse planétaire avec les planètes géantes et, probablement, Mars. Un essaim d'astéroïdes, de comètes et d'objets de la ceinture de Kuiper perturbés entourent la naine blanche comme des abeilles enragées, frappant l'étoile mourante et les planètes restantes. La naine blanche survit pour le reste de la vie de l'univers, se refroidissant et s'assombrissant comme une braise cosmique.

Alors que les restes du système planétaire continuent de se dégrader, le martèlement de la naine blanche devient plus sporadique. Mais parfois, un gros objet rocheux passera suffisamment près pour que la puissante gravité de l'étoile morte le déchire. Les débris forment un disque poussiéreux autour de la naine blanche.

Cette histoire s'est produite à maintes reprises dans les étoiles et les systèmes planétaires à travers le cosmos, et elle finira par arriver à notre système solaire.

Le gaz en expansion d'une nébuleuse planétaire marque la fin de la vie d'une étoile semblable au soleil. Ici, le télescope spatial Spitzer révèle la lueur infrarouge de la nébuleuse à hélice (NGC 7293). Le cercle rouge au centre est clair de la poussière et est un précurseur des disques de débris discutés dans cet article.

NASA / JPL-Caltech / K. Su (Université de l'Arizona)

Nains blancs et nains bruns

Comme tant d'objets bizarres, les astronomes ont découvert par accident le premier disque de débris entourant une naine blanche. Eric Becklin et Ben Zuckerman de l'Université de Californie à Los Angeles l'ont trouvé en cherchant une autre bête étrange dans le zoo astronomique: une naine brune.

Aujourd'hui, nous en savons beaucoup sur les naines brunes. Ces étoiles ratées comblent le fossé entre les planètes géantes gazeuses et les étoiles de masse la plus basse - celles à peine assez grandes pour soutenir la fusion de l'hydrogène dans leurs noyaux. Les naines brunes orbitent souvent autour d'autres étoiles, mais elles sont faibles et leurs compagnons stellaires peuvent facilement les éclipser. En 1987, cependant, les naines brunes étaient des objets hypothétiques. C'est alors que Becklin et Zuckerman se sont mis à les trouver.

Lorsqu'une étoile semblable au soleil vieillit et se transforme en une naine blanche et sombre, la quantité d'énergie qu'elle émet diminue d'un facteur de plus de mille. Becklin et Zuckerman ont réalisé que si certaines de ces étoiles ont des compagnons nains bruns, alors certains nains blancs devraient aussi. Et parce que les naines blanches sont tellement plus petites et plus faibles que les étoiles semblables au soleil, il serait beaucoup plus facile de repérer une naine brune à côté d'une naine blanche qu'à côté d'une étoile à part entière. Au fur et à mesure que les étoiles disparaissent, les naines brunes sont petites, avec des diamètres similaires à ceux de Jupiter. Mais les naines blanches n'ont qu'un dixième de cette taille, avec des diamètres à peu près équivalents à ceux de la Terre.

Les astronomes se sont rendus dans les installations du télescope infrarouge de la NASA sur le Mauna Kea d'Hawaï et ont commencé à observer chaque naine blanche qu'ils pouvaient. Nuit après nuit, ils ont regardé des centaines de naines blanches dans l'espoir d'en trouver une qui était trop lumineuse pour être une seule étoile. La plupart des objets semblaient simples et ennuyeux dans l'infrarouge - pas plus lumineux que prévu en fonction de la température des gaz incandescents dans leur atmosphère.

Mais l'une des naines blanches ciblées par Becklin et Zuckerman, Giclas 29–38 (G29–38), s'est démarquée. Il était environ 40% trop lumineux à la longueur d'onde qu'ils ont mesurée. Les chercheurs ont fait valoir que cet excès de lumière infrarouge était le rayonnement d'une naine brune située si près de la naine blanche que la lumière des deux objets se mélangeait.

Une supposition raisonnable, bien sûr - et il semblait que G29–38 pourrait être la première naine brune jamais détectée. Mais l'interprétation des astronomes de leurs données s'est avérée erronée. Ils ne voyaient pas la signature d'un nain brun, mais ils étaient tombés sur quelque chose d'aussi particulier.

Le Wide-Field Infrared Survey Explorer a inspecté le ciel infrarouge de la fin de 2009 jusqu'à ce qu'il manque de liquide de refroidissement 10 mois plus tard. La sonde a découvert au moins 50 naines blanches qui pourraient avoir des disques de débris environnants. (La poussière de la Voie lactée constitue la toile de fond de la conception de cet artiste.)
 

NASA / JPL-Caltech / R. Blessé (SSC)

Mystérieuse pollution spatiale

Les débris poussiéreux autour d'une naine blanche ne se contentent pas de rester dans l'espace. Il n'orbite même pas autour de l'étoile morte le long de chemins stables. Au lieu de cela, ce matériau se transforme en étoile. Au cours de centaines ou de milliers d'années, il pleut sur les couches superficielles de la naine blanche, que les astronomes appellent parfois l'atmosphère. Cela peut sembler long aux humains, mais c'est un clin d'œil en termes astronomiques.

Becklin et Zuckerman ont suggéré que G29–38 pourrait avoir un disque poussiéreux lorsqu'ils ont découvert son excès de lumière infrarouge. Mais ils savaient que la poussière ne peut pas survivre longtemps à proximité d'une naine blanche, alors ils se méfiaient de cette hypothèse. Ensuite, un autre type d'observation des naines blanches a commencé à changer d'avis sur la possibilité que ces objets puissent héberger des disques de débris.

La plupart des naines blanches sont constituées en grande partie de carbone et d'oxygène recouverts d'une fine atmosphère d'hydrogène et d'hélium. Ces objets compacts contiennent généralement environ la moitié de la masse du Soleil entassés dans un volume pas beaucoup plus grand que la Terre, produisant d'énormes densités et de fortes forces gravitationnelles près de leurs surfaces. Cette gravité intense garantit que tout élément plus lourd que l'hydrogène ou l'hélium tombe dans l'atmosphère et hors de vue en peu de temps.

Pourtant, étrangement, les atmosphères de certaines naines blanches sont pleines d'éléments lourds tels que le calcium et l'aluminium. Il y a une dizaine d'années, des astronomes armés de grands télescopes et de spectrographes de grande puissance ont trouvé de plus en plus de ces naines blanches «polluées» avec de la «ferraille» dans leur atmosphère. Il semblait possible que cette pollution provienne de systèmes planétaires morts, si les disques étaient suffisamment denses pour survivre pendant de longues périodes et avaient déversé une partie de leur matériel sur les naines blanches récemment. G29–38 est l'une de ces naines blanches polluées, ce qui a fait croire à de nombreux astronomes que son excès de lumière infrarouge provenait d'un disque de débris.

Un objet rocheux est déchiqueté par la puissante gravité de la naine blanche cataloguée Giclas 29–38. L'impression de cet artiste montre comment de tels incidents peuvent créer des disques de débris poussiéreux trouvés autour de nombreuses naines blanches.

NASA / JPL-Caltech / R. Blessé (SSC)

L'ange de la mort

En 2005, la plupart des astronomes étaient convaincus que le rayonnement infrarouge supplémentaire provenant du G29–38 était le signe d'un disque de débris poussiéreux, mais certains d'entre nous n'étaient toujours pas satisfaits. Les chercheurs avaient précédemment trouvé de nombreuses étoiles ordinaires avec de grands disques de poussière. Ces disques de débris ordinaires se sont révélés de nombreuses façons frappantes, des images Hubble spectaculaires montrant des anneaux, des chaînes et des motifs en spirale aux spectres qui révélaient la composition de la poussière. En comparaison, les scientifiques se sont retrouvés avec une image mentale de disques de débris nains blancs.

Puis, en 2006, le télescope spatial Spitzer a inauguré une nouvelle ère pour la science des nains blancs. Spitzer est un petit télescope selon les normes modernes, mais c'est une centrale électrique. Son miroir principal ne mesure que 33 pouces (85 centimètres) de diamètre. Mais contrairement au Hubble beaucoup plus grand, Spitzer collecte la lumière aux longueurs d'onde infrarouges. Ce qui lui manque de taille, il le compense avec des détecteurs infrarouges avancés qui sont des centaines de fois plus puissants que ceux qui avaient volé dans l'espace auparavant. La NASA a déployé Spitzer en 2003, et il continue de fonctionner aujourd'hui, bien qu'à des capacités réduites depuis que son liquide de refroidissement à hélium liquide s'est épuisé en 2009.

Spitzer n'envoie pas à la maison des images murales éblouissantes de disques; ce n'est pas sa spécialité. Il est préférable de disséquer la lumière, longueur d'onde par longueur d'onde, pour former un spectre. La plupart de la lumière qu'il analyse a des longueurs d'onde de quelques fois supérieures à la largeur d'un cheveu humain. Un par un, Spitzer a pointé du doigt toutes les étoiles poussiéreuses des différents types dans le ciel, collectant les spectres des objets que nous et d'autres astronomes pensions bien connaître.

Souvent, lorsqu'il regardait un disque de débris ordinaire autour d'une étoile normale, Spitzer trouvait une bosse caractéristique en forme de gant dans l'infrarouge moyen. Tout le monde sur le terrain a vite compris que cela signifiait la présence de petits grains de silicates - comme des grains de sable fin de plage.

Lorsque nous avons vu pour la première fois le spectre de G29–38, nous nous sommes sentis étrangement mal à l'aise. D'une part, cela a confirmé ce que nous pensions déjà savoir - que la poussière expliquait la lumière infrarouge supplémentaire provenant de cette étoile morte. D'un autre côté, lorsque nous avons repéré cette bosse en forme de gant ordinaire dans le spectre (voir «Signature révélatrice de Dust» à gauche), les cheveux se sont dressés sur notre cou comme si nous avions vu un fantôme.

Nous avions l'habitude de voir ce modèle sur de jeunes disques. Là, il raconte une histoire heureuse, celle des bébés planétésimaux entrant en collision ensemble pour former des planètes. Mais G29–38 n'est pas un endroit heureux. Une ligne de la Bible dit que nous sommes nés de la poussière et que nous retournerons dans la poussière - eh bien, la poussière autour des naines blanches est la poussière dans laquelle nous retournerons. Au moins un astronome a qualifié le spectre G29–38 de «signature de l'ange de la mort».

Bientôt, des observations faites par Spitzer et, dans une moindre mesure, des télescopes au sol comme Keck, Gemini et la NASA Infrared Telescope Facility ont trouvé des preuves de la poussière en orbite autour de 20 naines blanches à proximité. (Voir «Disques de débris nains blancs» en haut des pages 32 et 33.) Comme le montre le diagramme, les disques ont tendance à être petits. Ils vont de l'anneau étroit autour de WD 1457–086 à l'anneau beaucoup plus grand entourant SDSS 1228 + 1040, qui est comparable en taille au système d'anneaux étendus de Saturne.

Environ un tiers des disques découverts par Spitzer présentent la même signature silicate que G29–38. Le reste peut aussi, mais les astronomes ne les ont pas encore recherchés pour la fonction silicate ou ils sont trop faibles pour que même Spitzer puisse sonder la composition de la poussière. Tous les disques de débris poussiéreux entourent des naines blanches polluées.
 

Un objet rocheux est déchiqueté par la puissante gravité de la naine blanche cataloguée Giclas 29–38. L'impression de cet artiste montre comment de tels incidents peuvent créer des disques de débris poussiéreux trouvés autour de nombreuses naines blanches.

NASA / JPL-Caltech / T. Pyle (SSC)

Devenir SAGE

Lorsque les chercheurs ont commencé à assembler et à analyser les premières données WISE environ un an après son lancement, les astronomes étaient au bord de leur siège. Comme nous l'avons mentionné, la mission de WISE était d'étudier des galaxies lointaines, de découvrir des naines brunes et d'observer de jeunes étoiles poussiéreuses. Mais précisément parce qu'il est bon pour repérer la poussière et les naines brunes, il est apte à trouver de telles choses autour des naines blanches. L'enquête WISE tout ciel ressemble beaucoup à une version plus puissante de l'enquête de Zuckerman et Becklin d'il y a plus de 20 ans.

Suivre les traces de Zuckerman et Becklin est l'objectif d'une équipe de chercheurs dirigée par Stefanie Wachter du Spitzer Science Center de la NASA au California Institute of Technology de Pasadena. L'équipe WISE Infrared Excesses around Degenerates (WIRED) recherche dans l'infrarouge toutes les naines blanches connues à la recherche de traces de poussière et de naines brunes, principalement aux deux longueurs d'onde les plus courtes de WISE (3,4 et 4,6 micromètres). Ces longueurs d'onde se situent dans un point idéal en fonction de l'endroit où la poussière et les naines brunes apparaissent les plus brillantes et WISE est le plus sensible.

Malgré les prédictions sur la performance de WISE, les observations ont quand même ébloui l'équipe. Les premiers résultats montrent que WISE a trouvé 50 nouveaux candidats nains blancs poussiéreux et 40 candidats nains blancs avec des compagnons nains bruns. 70 autres nains blancs montrent de mystérieux excès qui pourraient être de la poussière, une naine brune ou quelque chose de totalement nouveau.

L'équipe WIRED examinera ces naines blanches avec d'autres télescopes pour les années à venir. Ces études seront un peu comme des autopsies. Considérez-les comme des «CSI pour les systèmes solaires». Mais elles ne seront pas totalement néfastes. Avec des spectrographes haute résolution sur des télescopes au sol, les scientifiques peuvent étudier ces objets récemment découverts et mesurer exactement la quantité de chaque élément qui pleut sur les naines blanches. Cela nous dit directement la composition du matériau rocheux dans ces anciens systèmes planétaires extrasolaires - des informations difficiles à obtenir de toute autre manière et des connaissances qui pourraient potentiellement nous dire comment ces systèmes planétaires se sont formés.

La mission WISE transforme les disques de débris nains blancs d'une petite collection d'objets bizarres en clés pour comprendre l'évolution des systèmes planétaires, y compris celui que nous appelons chez nous. Peut-être que les disques de débris nains blancs racontent une histoire effrayante. Mais si vous êtes sage, vous écouterez.

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/great-american-eclipse-2017/articles/2016/06/dead-stars-and-doomed-planets?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR0q9SGuxLnuL965F5AYOTL2WesRmzo4uuqEA8KbuM-xmpqsl10KqoSJ3dE