Un duo d’étoiles forme une « empreinte digitale » dans l’espace, selon le telescope Webb de la NASA

Les deux étoiles de Wolf-Rayet 140 produisent tous les huit ans des coquilles de poussière qui ressemblent à des anneaux, comme le montre cette image du télescope spatial James Webb de la NASA. Chaque anneau a été créé lorsque les étoiles se sont rapprochées et que leurs vents stellaires sont entrés en collision, comprimant le gaz et formant de la poussière. Crédit : NASA, ESA, ASC, STScI, JPL-Caltech

Des astronomes partagent une nouvelle image montrant au moins 17 anneaux de poussière créés par un type rare d’étoile et son compagnon, enfermés dans une danse céleste. L’équipe d’astronomes comprend Anthony Moffat, professeur émérite de l’Université de Montréal et membre du Centre de recherche en astrophysique du Québec (CRAQ).

Une nouvelle image du télescope spatial James Webb de la NASA révèle un spectacle cosmique remarquable : au moins 17 anneaux de poussière concentriques émanant d’une paire d’étoiles. Situé à un peu plus de 5 000 années-lumière de la Terre, ce duo est connu sous le nom de Wolf-Rayet 140. Chaque anneau a été créé lorsque les deux étoiles se sont rapprochées l’une de l’autre et que leurs vents stellaires (les courants de gaz qu’elles soufflent dans l’espace) sont entrés en collision, comprimant le gaz et formant de la poussière. Les orbites des étoiles les rapprochent environ tous les huit ans ; comme les anneaux concentriques pouvant être vus dans le tronc d’un arbre, les boucles de poussière marquent le passage du temps.

« Nous observons plus d’un siècle de production de poussière de ce système », a déclaré Ryan Lau, astronome au NOIRLab de la NSF et auteur principal d’une nouvelle étude sur le système, publiée aujourd’hui dans la revue Nature Astronomy. « L’image illustre également la sensibilité du JWST. Avant, nous étions capables de voir seulement deux anneaux de poussière, en utilisant des télescopes terrestres. Maintenant, nous en voyons au moins 17 ».

En plus de la sensibilité globale de Webb, l’instrument MIRI est particulièrement qualifié pour étudier les anneaux de poussière, ou ce que Lau et ses collègues appellent des coquilles, car ils sont en fait plus épais et plus larges qu’ils n’apparaissent sur l’image. Les instruments scientifiques de Webb détectent la lumière infrarouge, une gamme de longueurs d’onde invisibles pour l’œil humain.

Précédemment géré par le Jet Propulsion Laboratory pour la NASA, MIRI détecte les plus grandes longueurs d’onde infrarouges, ce qui signifie que cet instrument peut souvent voir des objets plus froids par rapport aux autres instruments de Webb, notamment les anneaux de poussière. Le spectrographe de MIRI a également révélé la composition de la poussière, formée principalement de matériaux éjectés par un type d’étoile connu sous le nom d’étoile Wolf-Rayet.

Ce graphique montre la taille relative du Soleil, en haut à gauche, par rapport aux deux étoiles du système connu sous le nom de Wolf-Rayet 140. L’étoile de type O a une masse environ 30 fois supérieure à celle du Soleil, tandis que son compagnon a une masse environ 10 fois supérieure à celle du Soleil. Crédit: NASA/JPL-Caltech.

Une étoile Wolf-Rayet naît avec une masse au moins 25 fois supérieure à celle de notre Soleil et arrive à la fin de sa vie. Brûlant à une température plus élevée que dans sa jeunesse, une étoile Wolf-Rayet génère des vents puissants qui poussent d’énormes quantités de gaz dans l’espace. L’étoile Wolf-Rayet de cette paire particulière pourrait avoir perdu plus de la moitié de sa masse initiale par ce processus.

Formation de la poussière dans le vent

Transformer du gaz en poussière est un peu comme transformer de la farine en pain; elle nécessite des conditions et des ingrédients spécifiques. L’élément le plus courant dans les étoiles, l’hydrogène, ne peut pas former de la poussière par lui-même. Mais comme les étoiles Wolf-Rayet perdent beaucoup de masse, elles éjectent également des éléments plus complexes que l’on trouve généralement à l’intérieur de l’étoile, comme le carbone. Les éléments lourds du vent se refroidissent en voyageant dans l’espace et sont ensuite comprimés là où les vents des deux étoiles se rencontrent, comme lorsque deux mains pétrissent la pâte.

Certains autres systèmes Wolf-Rayet forment de la poussière, mais aucun n’est connu pour produire des anneaux comme Wolf-Rayet 140. Le modèle unique d’anneaux se forme parce que l’orbite de l’étoile Wolf-Rayet dans WR 140 est allongée et non circulaire. Ce n’est que lorsque les étoiles se rapprochent l’une de l’autre – à peu près à la même distance que la Terre et le Soleil – et que leurs vents entrent en collision que le gaz subit une pression suffisante pour former de la poussière. Les binaires Wolf-Rayet qui ont des orbites circulaires produisent de la poussière en permanence.

Lau et ses co-auteurs pensent que les vents de WR 140 ont également balayé la zone environnante des matériaux résiduels avec lesquels ils auraient pu entrer en collision, ce qui pourrait expliquer pourquoi les anneaux sont restés si intacts et n’ont pas été étalés ou dispersés. Il existe probablement d’autres anneaux qui sont devenus si faibles et dispersés que même Webb ne peut les voir.

Les étoiles Wolf-Rayet peuvent sembler exotiques par rapport à notre Soleil, mais elles pourraient avoir joué un rôle dans la formation des étoiles et des planètes. Lorsqu’une étoile de type Wolf-Rayet nettoie une zone, la matière emportée peut s’accumuler à la périphérie et devenir suffisamment dense pour que de nouvelles étoiles se forment. Il existe des preuves que le Soleil s’est formé selon un tel scénario.

De plus, grâce aux données du spectrographe à moyenne résolution de MIRI, la nouvelle étude fournit la meilleure preuve à ce jour que les étoiles Wolf-Rayet produisent des molécules de poussière riches en carbone. Et la préservation des coquilles de poussière indique que cette poussière peut survivre dans l’environnement hostile entre les étoiles, pour ensuite fournir de la matière aux futures étoiles et planètes.

Le problème est qu’alors que les astronomes estiment qu’il devrait y avoir au moins quelques milliers d’étoiles Wolf-Rayet dans notre galaxie, seules 600 ont été découvertes à ce jour.

« Même si les étoiles Wolf-Rayet sont rares dans notre galaxie parce qu’elles ont une durée de vie courte pour des étoiles, il est possible qu’elles aient produit beaucoup de poussière tout au long de l’histoire de la galaxie avant d’exploser et de former des trous noirs », a déclaré Patrick Morris, astrophysicien au Caltech à Pasadena, en Californie, et coauteur de la nouvelle étude. « Je pense qu’avec le JWST, nous allons en apprendre beaucoup plus sur la façon dont ces étoiles façonnent la matière entre les étoiles et déclenchent la formation de nouvelles étoiles dans les galaxies. »

En savoir plus sur la mission

Le télescope spatial James Webb est un télescope spatial qui permettra de résoudre les mystères de notre système solaire, d’observer des mondes lointains autour d’autres étoiles et de sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et de la place que nous y occupons. Le Webb est un programme international dirigé par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.

MIRI a été développé grâce à un partenariat à parts égales entre la NASA et l’ESA (Agence spatiale européenne). Le JPL a dirigé les efforts américains pour MIRI, et un consortium multinational d’instituts d’astronomie européens a contribué pour l’ESA. George Rieke, de l’Université de l’Arizona, dirige l’équipe scientifique américaine de MIRI. Gillian Wright, du Centre de technologie astronomique du Royaume-Uni, est la chercheuse principale de MIRI Europe. Alistair Glasse de l’ATC britannique est le scientifique chargé de l’instrument MIRI, et Michael Ressler est le scientifique du projet américain au JPL. Laszlo Tamas de l’ATC britannique gère le Consortium européen. Le développement du cryoréfrigérant MIRI a été dirigé et géré par le JPL, en collaboration avec le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et Northrop Grumman à Redondo Beach, Californie.

Pour plus d’information, visitez https://www.nasa.gov/webb.

Contacts

Anthony Moffat
Université de Montréal / Centre de recherche en astrophysique du Québec
anthony.f.j.moffat@umontreal.ca

Frédérique Baron
Responsable des relations avec les médias
Centre de recherche en astrophysique du Québec
frederique.baron@umontreal.ca