Les étoiles qui avalent d'autres étoiles sous le regard d'Alma

La majorité des étoiles dans la Voie lactée sont des étoiles doubles et majoritairement aussi ce sont des naines rouges à longue durée de vie. Il existe cependant des cas de systèmes triples et même quintuples. Mieux, on connaît l'exemple d'Alcor et Mizar qui forment un système triplement binairebinaire. On explique la formation de ces systèmes multiples à partir de la fragmentation d'un unique nuagenuage moléculaire et poussiéreux s'effondrant gravitationnellement. On obtient ainsi un amas ouvert de jeunes étoiles dont certaines sont plus massives que le SoleilSoleil et vont évoluer rapidement en quelques millions d'années seulement pour donner des étoiles à neutronsétoiles à neutrons ou des trous noirstrous noirs.

On a des raisons de penser que notre Soleil lui-même faisait partie d’un système double faiblement lié gravitationnellement comme d'autres que l'on observe de nos jours. Il aurait donc un frère jumeaujumeau, ou une sœur jumelle, quelque part dans la Voie lactée en plus d'autres frères et sœurs dispersées depuis des milliards d'années, une fois dispersé également l'amas ouvert de centaines d'étoiles où ces astresastres sont nés.

L'évolution stellaire peut faire en sorte que l'étoile la plus massive dans un système binairesystème binaire va se mettre à gonfler jusqu'à déborder ce que l'on appelle le lobe de Roche, du nom du mathématicienmathématicien et astronomeastronome français qui s'est occupé de ces questions. Les forces de maréeforces de marée de son étoile compagne vont donc attirer de la matièrematière de cette étoile en l'accrétant. Si l'étoile compagne est une étoile à neutrons ou un trou noir, on va avoir une source de rayons Xrayons X.

Sur ces schémas, on voit les lobes de Roche de deux étoiles formant un système binaire. Ces lobes sont des surfaces d'équipotentielles du champ de gravitation commun et lorsqu'une des étoiles se met à gonfler, elle se déformera pour adopter une forme d'équilibre ou sa surface épouse celle des lobes si elle se dilate suffisamment. Un flot de gaz peut passer de l'une à l'autre et on a une binaire en contact si les deux lobes de Roche sont occupés. Lorsque le gaz commun déborde largement les deux lobes, on a une binaire à enveloppe, à ne pas confondre avec une binaire à contact. © Philip D. Hall Wikipédia, CC by-sa 3.0

Des laboratoires pour comprendre l'évolution des binaires à enveloppe commune

Une variante des binaires à contact sont les binaires à enveloppe commune. Il n'existe plus qu'une seule enveloppe de gazgaz pour les deux étoiles, enveloppe qui va au-delà de leurs lobes de Roche. Une équipe internationale d'astronomes, menée par les membres de la Chalmers University of Technology (CUT) en Suède, a récemment étudié ce genre de binaire avec le réseau de radiotélescopesradiotélescopes Alma au Chili, comme le précise un article publié à ce sujet dans le célèbre journal Nature Astronomy.

Les chercheurs y expliquent que « l'une des voies évolutives stellaires les plus mal comprises est celle des systèmes binaires en évolution à enveloppe commune, lorsque l'enveloppe d'une étoile géanteétoile géante engloutit l'orbiteorbite d'un compagnon. L'interaction qui s'ensuit conduit à une grande variété de systèmes astrophysiquesastrophysiques et de phénomènes associés, mais se produit sur une échelle de temps très courte ».

Cette situation est en train de changer grâce aux observations d'Alma concernant 15 étoiles dans la Voie lactée qui avaient attiré l'attention des chercheurs en raison du fait qu'elles émettaient un intense rayonnement associé à la signature spectrale des moléculesmolécules d'eau, au point que ces étoiles elles-mêmes avaient été surnommées des « fontaines d'eau ».

« Nous étions très curieux à propos de ces étoiles car elles semblaient souffler des quantités de poussière et de gaz dans l'espace, certaines sous la forme de jets avec des vitessesvitesses allant jusqu'à 1,8 million de kilomètres par heure. Nous avons pensé que nous pourrions trouver des indices sur la façon dont les jets étaient produits, mais au lieu de cela, nous avons trouvé bien plus », explique dans un communiqué de la CUT l'astrophysicienastrophysicien Theo Khouri, premier auteur de l'article publié.

Les astrophysiciens se sont penchés en particulier sur les signatures spectrales des molécules de monoxyde de carbonemonoxyde de carbone (CO) possédant des isotopesisotopes de carbone et d'oxygèneoxygène différents. On sait de longue date, et c'est particulièrement simple à démontrer théoriquement avec les équationséquations de la mécanique quantiquemécanique quantique dans le cas de l'atomeatome d'hydrogènehydrogène et de ces isotopes (dont le deutérium), que ces signatures ne sont pas les mêmes.

Les astrophysiciens ont relié ces mesures en particulier avec les isotopes de l'oxygène à la nature des étoiles observées qui se sont toutes révélées des étoiles doubles mais dont chaque étoile était en train de perdre ses couches externes très rapidement de sorte qu'elles avaient chacune éjecté environ 50 % de leur massemasse en quelques centaines d'années alors qu'elles possédaient initialement environ une à quelques masses solaires chacune.

Le scénario invoqué pour expliquer ces observations, c'est que ces étoiles étaient encore tout récemment, au cours des quelques centaines d'années précédentes dans un état où elles avaient une enveloppe commune justement. On dispose donc maintenant d'un laboratoire pour étudier des effets de la phase de l'évolution stellaire où les couches d'une étoile enveloppent une autre étoile.

C'est particulièrement intéressant puisque ce processus doit intervenir dans la résolutionrésolution d'énigmes concernant les explosions de supernovaesupernovae (on peut penser aux objets de Thorne-Żytkow), mais aussi selon les chercheurs avec les événements menant à des collisions de trous noirs, aux nébuleuses planétairesnébuleuses planétaires des étoiles en fin de vie, et y compris dans le futur du Système solaireSystème solaire lorsque notre Soleil se transformera en géante rouge, avalant MercureMercure, VénusVénus et peut-être la Terre.