Une collision d'étoiles trahie par des molécules radioactives

Il y a 348 ans, les astronomesastronomes Anthelme Voituret et Johannes Hevelius (le père de la cartographie lunaire et l'époux de l'astronome Elisabeth Koopmann-Hevelius) ont découvert une étoile au cours du mois de juin 1670, une nova, la première découverte à l'époque moderne. Elle est connue sous le nom de CK Vulpeculae mais à l'origine l'astronome britannique John Flamsteed, contemporain de Newton et Halley lui avait attribué la dénomination 11 Vulpeculae (11 Vul) dans son catalogue, indiquant que cette étoile variable était dans la constellation boréale du Petit Renard. Pendant des siècles, on a perdu sa trace, elle faisait donc partie des célèbres étoiles disparues de Flamsteed.

Elle a été redécouverte au début des années 1980. En 2015, le radioastronome Tomasz Kamiński et ses collègues de l'ESOESO avaient publié un premier travail dans lequel ils avançaient que les données qu'ils avaient collectées ne cadraient pas avec l'interprétation la plus fréquemment acceptée de CK Vulpeculae. Ce qui se présentait en apparence comme une nova, c'est-à-dire une explosion résultant de l'accrétionaccrétion récurrente de la matièrematière d'une étoile en phase géante rougegéante rouge par une naine blanchenaine blanche dans un système binairesystème binaire, devait en fait être une collision d'étoiles. Ce type d'évènement est d'une puissance intermédiaire entre celle d'une nova classique et d'une supernovasupernova.

Aujourd'hui Tomasz Kamiński revient avec ses collègues sur le cas de CK Vulpeculae et ils enfoncent le clou dans un article publié dans Nature Astronomy, que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv. Pour cela, les radioastronomes ont fait de nouvelles observations avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) et Northern Extended Millimeter Array (Noema).

Des noyaux d'aluminium éjectés par une explosion d'étoiles en collision

Qu'ont donc trouvé les chercheurs dans l'environnement stellaire autour de la faible étoile centrale formée à l'occasion de la collision, à environ 2.000 années-lumièreannées-lumière du SoleilSoleil, et qui correspond donc à CK Vulpeculae ? Tout simplement la signature spectrale de transitions quantiques bien particulière dans les moléculesmolécules et que l'on appelle des transitions de rotation. En l'occurrence, il s'agit d'émissionsémissions ou d'absorptionsabsorptions de photonsphotons permettant à une molécule diatomique de changer d'état de rotation et donc de niveaux d'énergieénergie. Le genre de phénomène qui intéresse les spécialistes en chimiechimie quantique, et bien sûr, les astronomes car il permet de détecter et d'identifier des molécules, que l'on peut modéliser de nos jours avec des simulateurs quantiques.

Dans le cas présent, les chercheurs ont établi la présence de monofluorure d'aluminiumaluminium AlF, une molécule qui n'existe pas dans le milieu interstellaire à haute température. Enfin, presque, parce que l'atomeatome d'aluminium est en fait sous la forme d'un de ses isotopesisotopes, le fameux aluminium-26 radioactif à courte duréedurée de vie et qui se désintègre en magnésiummagnésium-26 en émettant des rayons gammarayons gamma.

Vue d’artiste d’une collision entre deux étoiles. Cet évènement explosif est semblable à celui ayant donné lieu à la formation de CK Vulpeculae. Sur l’encadré, figure la structure interne d’une géante rouge telle qu’elle était, avant la fusion. Une fine couche d’aluminium-26 (en brun) entoure le cœur d’hélium. Une enveloppe convective étendue (pas à l’échelle) définit les contours de l’étoile. Elle transporte la matière du cœur vers la surface de l’étoile, à l’exception de l’aluminium-26, situé en trop grande profondeur de l’étoile. Seule une collision avec une autre étoile est susceptible de disperser l’aluminium-26. © NRAO/AUI/NSF S. Dagnello

Or, on sait que cet isotope se forme dans les couches profondes d'étoiles et certainement pas à la surface d'une naine blanche ou dans les couches supérieures d'une géante rouge. Sa présence ne peut s'expliquer que par une collision de deux étoiles de faible massemasse dont l'une au moins était une géante rouge avec une masse comprise entre 0,8 et 2,5 fois celle de notre Soleil. Il n'y a que de cette façon que les noyaux d'aluminium-26 ont pu se retrouver éjectés dans l'espace (une supernova donnerait le même résultat mais on devrait observer un reste de grande taille à la place de CK Vulpeculae et l'explosion aurait été plus lumineuse que celle décrite en 1670).

Indépendamment de faire la lumière sur la vraie nature de CK Vulpeculae, cette découverte sert aussi à mieux comprendre l'évolution chimique de la galaxiegalaxie sous l'effet des explosions d'étoiles, relâchant dans le milieu interstellaire les noyaux produits par la nucléosynthèsenucléosynthèse stellaire tels l'oxygèneoxygène, l'azoteazote, le ferfer et le siliciumsilicium et bien sûr le carbone.