Des astronomes utilisant le Très Grand Télescope de l'ESO (VLT) ont découvert une paire d'étoiles en orbite l'une autour de l'autre au centre de l'un des plus remarquables exemples de nébuleuse planétaire. Cette nouvelle observation confirme une théorie longuement débattue sur l'origine de l'aspect spectaculaire et symétrique de la matière éjectée dans l'espace. Les résultats sont publiés dans l'édition du 9 novembre 2012 de la revue Science.
Cette nouvelle image du Très Grand Télescope de l'ESO montre la nébuleuse planétaire Fleming I
dans la constellation du Centaure.
Cet objet surprenant est un nuage de gaz brillant autour d'une étoile en fin de vie.
De nouvelles observations ont montré qu'une très rare paire de naines blanches occupe vraisemblablement
le cœur de cet objet. Leurs mouvements orbitaux permettent parfaitement d'expliquer les remarquables structures
symétriques des jets de matière dans les nuages de gaz avoisinants
constituant cet objet et d'autres objets similaires.
Crédit: ESO/H. Boffin
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Les nébuleuses planétaires (1) sont des enveloppes lumineuses de gaz autour de naines blanches - des étoiles semblables au Soleil au crépuscule de leur vie. Fleming I est un très bel exemple de nébuleuse constituée de surprenants jets symétriques (2) qui dessinent des motifs incurvés et noueux. Elle se situe dans la constellation de l'hémisphère austral du Centaure et a été découverte il y a tout juste un siècle par Williamina Fleming (3), une ancienne femme de chambre ayant été recrutée par le Harvard College Observatory après avoir montré des aptitudes en astronomie.
Les astronomes se sont longtemps demandé comment ces jets symétriques pouvaient se former, sans toutefois parvenir au moindre consensus. Une équipe de recherche menée par Henri Boffin (ESO, Chili) a combiné de nouvelles observations de Fleming I effectuées à l'aide du Très Grand Télescope (VLT) de l'ESO et des simulations numériques existantes afin d'expliquer en détail et pour la toute première fois l'origine de ces formes étranges.
L'équipe a utilisé le VLT de l'ESO afin d'étudier la lumière en provenance de l'étoile centrale. Elle a découvert que Fleming I abrite non pas une mais deux naines blanches en son centre, en orbite l'une autour de l'autre en 1,2 jour. Des étoiles binaires ont déjà été découvertes au coeur de nébuleuses planétaires. Des systèmes constitués de deux naines blanches en orbite l'une autour de l'autre sont toutefois très rares (4).
« L'origine des formes somptueuses et complexes de Fleming I et d'autres objets similaires a fait l'objet de controverses durant des décennies », nous dit Henri Boffin. « Les astronomes avaient bel et bien envisagé l'existence d'un système binaire, mais dont les constituants auraient été très distants l'un de l'autre, caractérisés par une période orbitale de dizaines d'années voire plus. La combinaison de nos modèles et de nos observations nous a permis d'étudier ce système particulier dans les moindres détails et de découvrir la très grande proximité de la paire d'étoiles au coeur de la nébuleuse - des centaines de fois plus proches l'une de l'autre qu'on ne l'avait imaginé. »
Lorsqu'une étoile d'une masse allant jusqu'à huit masses solaires atteint la fin de sa vie, elle expulse ses enveloppes externes et commence à perdre de la masse. Cela permet au chaud noyau interne de l'étoile de rayonner intensément, et au cocon de gaz s'échappant vers l'extérieur de briller, formant ainsi une nébuleuse planétaire.
Tandis que les étoiles sont de forme sphérique, la plupart de ces nébuleuses planétaires sont de formes étonnamment complexes, constituées de noeuds, de filaments et d'intenses jets de matière formant des motifs complexes. Certaines des nébuleuses les plus spectaculaires - parmi lesquelles Fleming I - affichent des structures parfaitement symétriques (5). Dans le cas de cette nébuleuse planétaire, cela signifie que la matière s'échappe de chacun des pôles de la région centrale dans un flux en de forme S. Cette nouvelle étude révèle que les caractéristiques de Fleming I résultent de la forte interaction entre une paire d'étoiles - l'étonnant chant du cygne d'un couple d'étoiles.
« Il s'agit là du cas le plus abouti d'un système binaire central pour lequel les simulations ont correctement prévu le dessin de la nébuleuse environnante - et de manière véritablement spectaculaire » nous explique le co-auteur de l'étude, Brent Miszalski, du SAAO et du SALT (Afrique du Sud).
L'existence d'une paire d'étoiles au coeur de cette nébuleuse est indispensable pour expliquer la structure que nous observons. A mesure que les étoiles ont vieilli, elles se sont dilatées, l'une s'est comportée en vampire stellaire, absorbant la matière de l'autre. La matière a été aspirée par le vampire, l'encerclant et formant ce que l'on appelle un disque d'accrétion (6). Parce que les deux étoiles étaient en orbite l'une autour de l'autre, elles ont l'une et l'autre interagi avec ce disque et l'ont transformé en une véritable toupie oscillante en rotation - un mouvement baptisé précession. Ce mouvement affecte le comportement de toute matière qui s'est échappée des pôles du système, y compris celle des jets de matière expulsée. Cette étude confirme que les disques d'accrétion animés d'un mouvement de précession à l'intérieur de systèmes binaires sont responsables des aspects étonnamment symétriques des nébuleuses planétaires telles que Fleming I.
Les images profondes du VLT ont également permis de découvrir l'existence d'un anneau constitué de noeuds de matière au sein de la nébuleuse interne. Un tel anneau de matière se rencontre également dans d'autres familles de systèmes binaires et semble constituer la signature révélatrice de la présence d'un couple stellaire.
« Nos résultats soulignent l'importance de l'interaction entre paires d'étoiles dans la formation, et peut-être même l'origine, des nébuleuses planétaires » conclut Boffin.
Notes:
(1) Les nébuleuses planétaires n'ont rien à voir avec les planètes. Elles ont été nommées ainsi au cours du XVIIIe siècle parce que ces objets ressemblaient aux disques des planètes distantes observées à l'aide de petits télescopes.
(2) Les jets sont des expulsions très rapides de gaz depuis les régions internes des nébuleuses planétaires. Ils sont souvent collimatés - la matière est éjectée en flux parallèles, ce qui signifie qu'ils se propagent très lentement dans l'espace.
(3) Fleming I tient son nom de l'astronome écossaise Williamina Fleming, qui la découvrit en 1910. Travaillant tout d'abord comme femme de ménage auprès du directeur du Harvard College Observatory dans les années 1880, Fleming a ensuite été recrutée pour traiter les données astronomiques de l'observatoire en tant que Harvard Computer, un groupe de femmes qualifiées qui effectuaient des calculs mathématiques et des tâches bureautiques. Pendant son séjour, elle a découvert - et a été créditée pour cela - de nombreux objets astronomiques parmi lesquels 59 nébuleuses de gaz, plus de 310 étoiles variables et 10 novae. Cet objet porte également d'autres appellations, comme PN G290.5+07.9, ESO 170-6 et Hen 2-66.
(4) L'équipe a étudié les étoiles à l'aide de l'instrument FORS qui équipe le Très Grand Télescope de l'Observatoire de Paranal de l'ESO au Chili. Elle a pris des images de l'objet et séparé la lumière dans ses différentes couleurs afin de déterminer les mouvements, la température ainsi que la composition chimique de l'objet central. Les étoiles primaire et secondaire se sont avérées être de masses équivalentes respectivement à environ 0,5-0,86 et 0,7-1,0 masse solaire. L'équipe a été en mesure d'écarter la possibilité que l'une des étoiles du système binaire soit semblable à notre Soleil en analysant la lumière en provenance des deux étoiles et en étudiant la brillance du système. La luminosité de ce système ne varie que très peu au cours de sa rotation. Une étoile normale aurait été chauffée par la naine blanche très chaude, et parce qu'elle aurait toujours présenté la même face à sa compagne (comme la Lune le fait avec la Terre), elle serait caractérisée par une face « chaude et brillante » et autre face « froide et sombre », causant ainsi une variation périodique de luminosité de l'ensemble. Il est donc plus que probable que l'objet central soit une paire de naines blanches - une découverte rare et exotique à la fois.
(5) Dans ce cas précis, chaque partie de la nébuleuse dispose d'une exacte contrepartie située à une distance équivalente de l'étoile, mais dans une direction opposée - le type de symétrie que l'on retrouve dans les cartes des personnages de la cour dans un paquet de cartes à jouer classique.
(6) Un tel disque se forme lorsque le flux de matière s'échappant d'une étoile dépasse une certaine limite appelée lobe de Roche. A l'intérieur de ce lobe, toute la matière est liée à l'étoile hôte par la gravitation et ne peut s'en échapper. Lorsque le lobe est plein et la limite dépassée, de la matière s'échappe de l'étoile et est transférée à un corps situé à proximité, la seconde étoile d'un système binaire par exemple, formant ainsi un disque d'accrétion.
