L'énigme des étoiles plus vieilles que l'Univers semble résolue

Les pionniers de l'astrophysique du XX^e siècle sont à l'origine d'une théorie de la structure stellaire déjà bien développée avant la seconde guerre mondiale. Elle a été affinée par les progrès de l’astrophysique nucléaire après cette guerre et avec la montée en puissance des ordinateursordinateurs et des méthodes de l'analyse numériquenumérique. Elle permet enfin de penser et de décrire l'évolution des étoiles. Celle-ci va dépendre en premier lieu de leurs masses.

Les calculs permettent alors d'estimer en combien de temps une étoile va devenir une naine blanche ou se transformer en supernova par exemple, bien qu'aucune date précise ne puisse être avancée. Toute l'histoire de l'astrophysique stellaire de la seconde moitié du siècle dernier a montré que la théorie de la structure et de l'évolution stellaire était remarquablement performante. C'est donc avec une grande surprise que des astrophysiciensastrophysiciens ont constaté qu'appliquée à certaines naines blanches de faible masse, elle conduisait à leur attribuer un âge supérieur à celui de l'UniversUnivers observable pourtant bien établi, en combinant différentes observations comme celles concernant le rayonnement fossilerayonnement fossile par le satellite Planck.

Le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard étant lui aussi remarquablement confirmé, même si l'on est confronté actuellement à l’énigme des discordances des estimations de la fameuse constante de Hubble-Lemaître qui donne également une estimation de l'âge du cosmoscosmos observable, les astrophysiciens ont cherché un moyen d'expliquer pourquoi ces naines blanches semblaient contredire soit la théorie de l'évolutionthéorie de l'évolution stellaire, soit la cosmologiecosmologie. De fait, une solution possible avait été trouvée.

On sait que les étoiles, au moins dans la Voie lactéeVoie lactée, sont le plus souvent en couple dans des systèmes binairessystèmes binaires. Il peut arriver lors de l'évolution des astresastres de ces couples que l'un se mette à arracher à l'autre de la matièrematière via des forces de maréeforces de marée gravitationnelles.

Environ 97 % des étoiles de la Voie lactée deviendront des naines blanches et celles qui posent problème ont des masses inférieures à 0,3 masse solaire, on les appelle en anglais des extremely low mass (ELM) white dwarf, ce qui peut se traduire par « naine blanche de masse extrêmement faible ». Les naines blanches de type ELM, même si elles sont rares, se trouvent précisément parmi les systèmes binaires et pour autant qu'on le sache uniquement dans ces systèmes.

Le scénario envisagé pour résoudre l'énigme des étoiles plus vieilles que l'Univers est alors le suivant.

Tout commence avec des étoiles sur la séquence principaleséquence principale auxquelles une naine blanche classique arrache de la matière. D'ordinaire, on parle de tels systèmes en termes d'étoiles variablesétoiles variables cataclysmiques (CV en anglais). On en connaît actuellement plus de 1.600 exemples dans la Voie lactée et elles ont une période orbitalepériode orbitale comprise typiquement entre 80 minutes et 12 heures.

Des étoiles à l'évolution accélérée par des forces de marée

Il peut arriver que l'accrétionaccrétion de la matière sur la naine blanche déclenche des réactions thermonucléaires conduisant à une violente explosion mais ne conduisant pas à la destruction de l'étoile, de sorte qu'une nouvelle explosion pour les mêmes raisons peut survenir plus tard. Il s'agit de ce qu'on appelle une novanova pour ce type d'explosion.

Mais il peut arriver aussi que l'accrétion de matière soit suffisante pour que la masse de la naine blanche dépasse la fameuse limite de Chandrasekhar, environ 1,4 masse solaire. L'étoile n'est plus stable, elle s'effondre, des réactions thermonucléaires s'engendrent mais bien plus violentes, de sorte que l'explosion résultante détruit toute l'étoile. C'est une supernova de type SNSN Ia.

Les naines blanches exotiquesexotiques de type ELM seraient alors initialement des étoiles sur la séquence principale mais la naine blanche compagne ne commencerait à arracher de la matière que tard dans la vie de l'étoile, au moment où elle commence à brûler son cœur d'héliumhélium alors que la base de l'enveloppe d'hydrogènehydrogène entourant ce cœur est aussi le siège de réactions de fusionfusion thermonucléaire.

À un moment, la future naine blanche de type ELM cesse d'être la victime de sa naine blanche car le transfert de matière s'arrête. Il ne reste plus qu'une étoile de masse inférieure à 0,3 masse solaire qui va finir par se transformer en naine blanche. On obtient alors un astre qui mettrait plus de temps que par la voie normale pour se former avec une telle faible masse (plus la masse d'une étoile est élevée, plus elle évolue rapidement et inversement).

Aujourd'hui, ce scénario vient d'être testé par une équipe d'astrophysiciens ayant utilisé plusieurs instruments comme le télescopetélescope Shane à l'Observatoire Lick en Californie ainsi que les données de la mission GaiaGaia, comme l'explique une publication dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv.

Les astrophysiciens ont effectivement observé des dizaines d'étoiles déformées par des forces de marée et ayant les caractéristiques attendues d'étoile en transition de la séquence principale vers l'état final de naine blanche de type ELM, c'est-à-dire lorsque l'étoile a perdu la majeure partie de sa masse et s'est presque contractée en une naine blanche ELM.

L'énigme semble donc résolue.