D’étranges anneaux autour d’une étoile

par Sylvain Bouley | Jan 15, 2023 | Actualités

En août 2022, une image du James Webb Space Telescope (JWST) a créé la stupéfaction chez les astronomes : 17 anneaux concentriques entouraient un couple d’étoiles appelé Wolf-Rayet 140. Était-ce une illusion d’optique ou une structure réelle étrange ? La réponse a été donnée grâce à l’analyse détaillée par le télescope JWST de ce couple qui avait été observé depuis une vingtaine d’années.

Quand le vent intense d’une étoile Wolf-Rayet (WR) enrichie en carbone (WC), liée dans un couple à une étoile O ou B, interagit avec le vent moins fort de l’étoile compagne, il se produit un choc à la suite duquel sont formés des grains de poussière. Ceux-ci se propagent ensuite dans l’environnement du couple stellaire. Les premiers grains de poussière carbonée seraient ainsi produits dans les vents de couples d’étoiles évoluées dont l’une des composantes est une WC. Il semble que les WC régulent la position des poussières au cours du mouvement orbital du système.

1. Image en fausses couleurs de WR 140 obtenue avec les filtres de l’instrument MIRI du JWST, F770W, F1500W et F2100W, correspondant respectivement au bleu, au vert et au rouge. Huit pics de diffraction symétriques sont observés autour du cœur saturé de WR 140 et présentent des couleurs plus bleues que l’émission de poussière. (Ryan M. Lau et al., Nature Astronomy, 12 oct. 2022)

En fait, le couple WR 140 représente un laboratoire astrophysique idéal pour étudier cette question (fig. 1 et 2). L’étoile de type WC7 orbite autour d’une étoile O5 en 7,93 ans. Elle produit périodiquement de la poussière pendant quelques mois lorsque son vent est suffisamment comprimé lors de son passage au périastre de l’étoile O. Une émission infrarouge sous forme de deux anneaux de poussière avait déjà été observée au moyen de télescopes au sol à environ 5 000 unités astronomiques du centre du couple stellaire. Cependant, les autres anneaux n’avaient pu être détectés. Il était d’ailleurs nécessaire de s’assurer que ces deux anneaux étaient composés de carbone, ce qui était impossible aussi bien avec les télescopes au sol qu’avec le télescope spatial Hubble.

2. Cette vue d’artiste montre la taille relative du Soleil, en haut et à gauche, comparée à celles des deux étoiles du système Wolf- Rayet 140. L’étoile O a environ trente fois la masse du Soleil, et le compagnon environ dix fois cette masse. (Nasa/JPL-Caltech)

Une équipe internationale conduite par un astronome américain de l’université de Tucson vient de publier un article montrant que les 17 anneaux sont dus à l’interaction des deux étoiles du couple au cours des 130 dernières années [2]. Le JWST révèle en effet des bandes infrarouges à 6,4 et 7,7 microns, qui indiquent la présence de molécules composées d’hydrogène et de carbone observées auparavant autour d’autres étoiles WC mais c’est la première fois que des images confirment l’association de ces caractéristiques spectrales avec la présence de poussière (fig. 3).

3. Spectre obtenu par le JWST (et corrigé pour l’extinction atmosphérique) montrant les caractéristiques spectrales du carbone neutre dans l’anneau 2 (ligne rouge) par comparaison à un modèle en noir. La « raie » en absorption à 12 microns est un artefact instrumental, tandis que l’émission à 10,5 microns est probablement due au silicium. (Ryan M. Lau et al., Nature Astronomy, 12 oct. 2022)

Encore une découverte du JWST, qui nous réserve décidément bien des surprises !

par Suzy Collin-Zahn – Observatoire de Paris, PSL

Article publié dans l’Astronomie n°166, décembre 2022

Notes:

1. Les étoiles Wolf-Rayet sont des étoiles chaudes de plusieurs dizaines de masses solaires issues d’étoiles O et B. Durant une phase brève (de l’ordre du million d’années), elles expulsent de la matière sous forme de vents stellaires violents laissant leur noyau à nu, avant d’exploser en supernova. Celles qui sont enrichies en carbone sont appelées WC, et sont classées en WC suivi d’un numéro, comme WC7 dans le cas présent.
2. Ryan M. Lau et al., « Concentric rings in space: nested dust shells around the Wolf–Rayet binary WR 140 observed with JWST », Nature Astronomy, 12 oct. 2022.

L’origine du système solaire revisitée

par Sylvain Bouley | Jan 15, 2023 | Actualités

Dès le XVIIIe siècle, scientifiques et philosophes se sont interrogés sur l’origine du Système solaire. C’est ainsi qu’Emmanuel Kant (1724-1804) puis Pierre-Simon de Laplace (1749-1827) ont proposé le modèle de la « nébuleuse solaire primitive », selon lequel le Système solaire est le produit de l’effondrement d’un fragment de nuage interstellaire en rotation en un disque perpendiculaire à l’axe de rotation du nuage. L’étude des étoiles jeunes, au cours des dernières décennies, a largement validé ce scénario, qui s’applique également aux étoiles qui nous entourent. Dans le cas de la nébuleuse solaire, la matière proche du centre forme le proto-Soleil, tandis que, selon le scénario développé par V. Safronov à la fin des années 1960, les planètes se forment au sein du disque autour d’inhomogénéités locales à partir de particules solides.

Plus tard apparut le concept de « ligne des glaces », proposé en particulier par H. Mizuno en 1980 ; celle-ci marque la limite de condensation des petites molécules, à commencer par l’eau, H2O, à une température d’environ 170 K. À cette distance (environ 3 à 5 unités astronomiques [ua] du Soleil, au moment de la formation des planètes), la formation des glaces juste en deçà de cette ligne semble avoir favorisé la formation de Jupiter et, au-delà, des autres planètes géantes [1]. Si la présence de la ligne des glaces a apporté une explication satisfaisante à la formation des planètes géantes, il était beaucoup plus difficile de rendre compte de la formation des planètes rocheuses : les modèles nécessitaient soit des particules de taille excessive, soit un disque protoplanétaire excessivement riche en éléments lourds.

Pour résoudre cette difficulté, une équipe européenne coordonnée par A. Morbidelli, de l’Observatoire de la Côte d’Azur [2], a récemment imaginé un scénario dans lequel le matériau provenant de la nébuleuse primitive aurait été déficient en moment angulaire, ce qui aurait produit la formation d’un disque protoplanétaire très proche du Soleil, chaud et compact. La matière propulsée vers l’extérieur aurait franchi la ligne des glaces et, en s’y accumulant, aurait formé les planétésimaux qui ont ensuite donné naissance aux planètes géantes. L’originalité de l’étude est d’imaginer, en deçà de la ligne des glaces, à une distance héliocentrique d’environ 1 ua, une autre frontière associée à la condensation des silicates, à une température d’environ 1 000 K, qui aurait permis, par accumulation de matière à cette frontière, la formation des planétésimaux qui ont ensuite été incorporés dans les planètes rocheuses du Système solaire. Pour les auteurs de l’étude, les deux lignes de condensation se seraient mises en place simultanément, mais, selon leurs calculs, les planétésimaux de la ligne des glaces se formèrent plus rapidement que ceux de la ligne des silicates.

Pour tester leur modèle, A. Morbidelli et ses collègues font appel aux météorites ferreuses, formées dans le premier milliard d’années après la formation du Système solaire. En effet, la formation des planétésimaux à la ligne des glaces est difficile à concilier avec la formation précoce et simultanée de météorites ferreuses présentant des états d’oxydation et des compositions isotopiques différents, indiquant qu’ils ont été formés à des distances du Soleil différentes (lire l’encadré). Les nouveaux résultats présentés par A. Morbidelli et son équipe ouvrent une nouvelle perspective dans la reconstitution des toutes premières phases d’accrétion au sein du disque protosolaire. Il restera à mieux contraindre le modèle dont de nombreux paramètres sont encore mal connus, et aussi à déterminer dans quelle mesure le scénario proposé est unique ou constitue une solution parmi d’autres possibles.

Schéma de la formation du Système solaire selon le modèle de Morbidelli et al. (2022). Haut : Modèle standard. Les flèches noires inclinées indiquent les distances auxquelles 50 % et 100 % du matériau ont été accrétés. Les flèches vertes inclinées, très proches du Soleil, correspondent aux mêmes limites dans le modèle de Morbidelli et al. ; la flèche verte horizontale indique l’échappement vers l’extérieur du matériau tombé à proximité du Soleil. Bas : les lignes de condensation des silicates à 1 ua (T = 1 000 K) et des glaces à 5 ua (T = 170 K). Les planétésimaux se forment à proximité de ces lignes de condensation ; ils sont les embryons des planètes telluriques et géantes. (C. Ormel 2022, Nature Astronomy [3])

par Thérèse Encrenaz, Observatoire de Paris

Article publié dans l’Astronomie n°165, novembre 2022

Notes: [1]. voir Pollack et al., Icarus, vol. 124, Issue 1, p. 62-85, 1996
[2]. A. Morbidelli  et al., 2022. « Contemporary formation of early solar system planetesimals at two distinct radial locations », Nature Astronomy [https://doi.org/10.1038/s41550-021-01517-7].
[3]. C. Ormel, « Archaeology of the Solar System », Nature Astronomy, vol. 6, p. 16-17, janvier 2022. [https://www.nature.com/articles/s41550-021-01521-x]