Des nébuleuses qui protègent leur Hélium 3

Deux nébuleuses planétaires (1) rares, NGC 3242 et J320 semblent, contrairement à la majorité des étoiles évoluées de faible masse, préserver l'hélium 3 qu'elles ont produit dans leur jeunesse. Comment expliquer l'originalité de ces nébuleuses "récalcitrantes" ? Une équipe d'astrophysiciens du CNRS, de l'Observatoire de Paris et de l'Université de Genève (UNIGE) suggère que cette particularité est due au champ magnétique fossile de ces étoiles.

Cette hypothèse, qui réconcilie l'évolution stellaire avec l'évolution chimique de la Galaxie, a été publiée le 20 novembre 2007 dans la revue Astronomy and Astrophysics. Elle devrait être prochainement mise à l'épreuve grâce à des observations au Pic du Midi ou au télescope franco-canadien situé à Hawaï.


Corinne Charbonnel, chercheuse au Laboratoire d'astrophysique de Toulouse et Tarbes et à l'UNIGE et Jean-Paul Zahn, astronome au Laboratoire de l'univers et de ses théories (LUTH) ont déjà proposé une explication à l'évolution de l'hélium 3 dans la Galaxie. Fruit de la nucléosynthèse primordiale (2) cet élément léger est aussi produit par les réactions nucléaires qui ont lieu au cœur des étoiles de faible masse, comme notre Soleil. Les modèles classiques d'évolution chimique de la Galaxie prédisent ainsi que la quantité d'hélium 3 aurait dû fortement augmenter depuis le moment originel de l'Univers. Or il n'en est rien. Dans des régions galactiques qui reflètent la composition actuelle de la matière interstellaire, on ne décèle pas plus d'hélium 3 qu'au moment du Big Bang. Les chercheurs suggèrent que cet isotope est bien produit par les étoiles comme notre Soleil, comme le prédit la théorie. Mais, quand l'étoile devient géante, il est détruit avant d'avoir eu le temps d'être rejeté dans la matière interstellaire. Selon les deux spécialistes, c'est le mélange thermohaline (3) qui conduit à la destruction de l'hélium 3 dans les étoiles géantes et qui stabilise la concentration de cette substance au cours du temps dans la Galaxie.

Champ magnétique fossile contre thermohaline ?

Mais ce n'est pas le cas de certaines nébuleuses planétaires rares: cette fois Corinne Charbonnel et Jean-Paul Zahn se sont penchés sur des observations récalcitrantes à ces explications. Les ejecta (4) de deux étoiles évoluées, soit les nébuleuses planétaires NGC 3242 et J320, contiennent en effet de l'hélium 3 en abondance, et semblent avoir échappé à ce processus thermohaline. Pour ces chercheurs c'est un champ magnétique fossile qui inhibe le mélange thermohaline dans une petite fraction des étoiles de faible masse et explique la composition chimique de ces nébuleuses récalcitrantes. Ces étoiles seraient les descendantes des étoiles Ap, dont l'intensité du champ magnétique est très supérieure à celle du Soleil.

Notes:
(1) Les nébuleuses planétaires sont constituées de gaz expulsés par certaines étoiles en fin de vie.
(2) La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques qui conduit à la synthèse de noyaux atomiques. La nucléosynthèse primordiale, qui s'est produite dans les premières minutes de l'Univers, est responsable de la formation des noyaux légers dont l'hélium 3.
(3) Le phénomène de mélange thermohaline est bien connu en laboratoire et en océanographie sous le nom d'"instabilité de doigts de sel": il se déclenche dans l'eau salée lorsque la température et la salinité augmentent toutes les deux avec la hauteur. La même instabilité se produit dans les étoiles évoluées, quand la combustion de l'hydrogène est achevée au centre, et qu'elle se poursuit dans une mince couche à la périphérie du cœur de l'étoile: c'est alors l'hélium 3 qui joue le rôle du sel. Dès que cette instabilité se déclenche, tout l'hélium 3 produit par l'étoile dans les phases antérieures de son évolution est détruit.
(4) Il s'agit des couches externes de l'étoile qui sont éjectées par l'astre dans la matière interstellaire.