La naine brune la plus ancienne et la plus froide connue avec du lithium

Les naines brunes, ces objets de masse intermédiaire entre les planètes et les étoiles, ne cessent d'intriguer les astronomesastronomes.

La théorie décrivant l'évolution de ces objets substellaires prédit qu'il existe une limite de masse nette entre les naines brunes avec et sans lithium, estimée à environ 63 fois la masse de JupiterJupiter, pas loin de la limite de masse séparant les étoiles des naines brunes (78,5 masses joviennes pour une étoile de composition solaire).

Les étoiles et les naines brunes sont constituées essentiellement d'hydrogène et d'héliumhélium, mais elles contiennent aussi de petites quantités d'éléments plus lourds. Notamment, lors de leur formation, elles contiennent un peu de lithium. Cependant, dès lors que leur température interne atteint 2 millions de degrés, ce lithium est rapidement détruit, au cours des premières centaines de millions d'années de leur évolution, par les processus de fusionfusion thermonucléaire, ce qui conduit à une frontière nette entre les naines brunes avec et sans lithium. Le « test du lithium », qui consiste à déterminer l'abondance de lithium à la surface d'un tel corps, peut ainsi nous donner des indications sur son âge ou sa masse.

Comparaison entre le Soleil, une étoile naine rouge, une naine brune, Jupiter et la Terre. © Cinema 4D R16, Björn Jónsson, FarGetaNik, cubeApocalypse et Planetkid32

Les prédictions théoriques peuvent être testées en les comparant avec des observations de lithium dans les composantes individuelles de systèmes binairessystèmes binaires avec des masses mesurées dynamiquement, c'est-à-dire à partir de leurs mouvementsmouvements orbitaux. Une équipe de scientifiques de l'Institut d'astrophysiqueastrophysique des Canaries (IAC), en Espagne, et de l'Institut national d'astrophysique, optique et électronique (Inaoe), au Mexique, a ainsi étudié entre février et août de cette année deux systèmes binaires : Denis J063001.4−184014 AB, aussi appelé Sahlmann 2 AB, et Denis J225210.7−173013 AB, aussi connu comme Reid 1 AB. À l'aide du spectrographespectrographe Osiris, installé sur le Gran Telescopio CanariasGran Telescopio Canarias (GTC), Eduardo Lorenzo Martín Guerrero de Escalante, Nicolas Lodieu et Carlos deldel Burgo Díaz ont re-déterminé les types spectraux optiques combinés de ces systèmes (respectivement M9.5 et L6.5) et y ont cherché la présence de lithium.

Une masse limite plus faible que prévu

Dans le spectrespectre combiné de Sahlmann 2 AB, dont les deux composantes ont une masse d'environ 54 masses joviennes, aucun lithium n'a été détecté. Cependant, dans Reid 1 AB, à 16,9 années-lumière de nous, un faible signal du lithium a été repéré, que les auteurs attribuent à la contribution de l'objet secondaire, Reid 1 B. En effet, la composante principale de cette paire, Reid 1 A, a une masse d'environ 59 masses joviennes, qui semble suffisante pour consumer son lithium, contrairement à Reid 1 B, seulement 41 fois plus massif que Jupiter. Le système Reid 1 a près de 1,1 milliard d'années. Reid 1 B est ainsi l'objet extrasolaireextrasolaire le plus froid et le plus vieux où du lithium a été confirmé.

L'équipe hispano-mexicaine a découvert que la frontière entre les objets qui détruisent le lithium et ceux qui le préservent se situe à 51,5 fois la masse de Jupiter. La naine brune Reid 1B est un gisement majeur de lithium qui ne sera jamais détruit. Des planètes comme Jupiter et la Terre sont encore moins massives et ne détruisent pas leur lithium. Le Soleil a détruit tout le lithium qui se trouvait dans son noyau et en conserve un peu dans ses couches supérieures, qui se mélangent lentement avec son intérieur. © Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC)

En combinant leurs résultats avec les données de sept autres systèmes binaires de naines brunes trouvés dans la littérature et traités de manière auto-cohérente, ils confirment qu'il existe bien une transition brutale en matièrematière de masse pour l'appauvrissement en lithium chez les naines brunes, comme prévu à partir des calculs théoriques. Ils estiment que cette limite est égale à environ 51,5 fois la masse de Jupiter, ce qui est inférieur aux déterminations théoriques. Cet écart suggère qu'il y a quelque chose dans le comportement des naines brunes qui est encore incompris.