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ASTRONOMIE

Plus qu’une éclipse

Une collision de vents stellaires prolonge la disparition périodique de la luminosité de l’étoile Eta Carinae

Publié en janvier 2012

L’étoile Eta Carinae (dans le carré en pointillé) est à 7 500 annéeslumière de la Terre, dans la nébuleuse de la Carène

NASA, ESA, N. Smith, The Hubble Heritage TeamL’étoile Eta Carinae (dans le carré en pointillé) est à       7 500 annéeslumière de la Terre, dans la nébuleuse de la CarèneNASA, ESA, N. Smith, The Hubble Heritage Team

La nature de la perte brutale et périodique de luminosité de l’énigmatique étoile géante Eta Carinae, dont certains du spectre électromagnétique, et en particulier des rayons X, cessent de briller pendant environ 90 jours tous les cinq ans et demi, a peut-être été finalement dévoilée par une équipe internationale d’astrophysiciens dirigée par des Brésiliens. Tous deux de l’Université de São Paulo (USP), le chercheur Augusto Damineli et le postdocteur Mairan Teodoro ont analysé des données enregistrées par cinq télescopes terrestres situés en Amérique du sud pendant la dernière perte de luminosité de l’étoile, de janvier à mars 2009. Ils ont découvert que cet événement littéralement obscur cache en fait deux phénomènes à la fois distincts et entrelacés, et pas seulement un comme le pensaient la plupart des astrophysiciens.

Premièrement, il y a une sorte d’éclipse des émissions de rayons X de ce système qui est finalement binaire, composé de deux étoiles très grandes : l’Eta Carinae A et l’Eta Carinae B. L’Eta Carinae A est la principale et la plus grande, avec près de 90 masses solaires, tandis que l’Eta Carinae B est l’étoile secondaire, d’une trentaine de masses solaires et dix fois moins brillante. Le blocage de l’émission est provoqué par le passage de la plus grande étoile devant le champ de vision d’un observateur situé sur terre. Déjà relativement bien connu et étudié, ce phénomène dure environ 1 mois. Pas plus. Dès lors, comment expliquer les 60 autres jours sans luminosité ? D’après Damineli et Teodoro, la réponse réside dans l’existence d’un deuxième mécanisme qui prolonge la perte de luminosité des rayons X du système Eta Carinae.

Dès que s’achève l’éclipse, les deux étoiles se dirigent vers le périastre, le point le plus proche entre leurs orbites, de l’ordre de 230 millions de kilomètres. Les vents stellaires de l’Eta Carinae A sont un jet de particules qui s’échappe en permanence de la surface et vont dominer le système binaire, emprisonnent les vents stellaires de l’Eta Carinae B et les renvoient contre sa surface. À ce moment, il se produit ce que les astrophysiciens appellent la crise de la zone de collision des vents des deux étoiles, qui était jusqu’à présent en équilibre.

En termes d’émission de lumière, les conséquences de la collision des vents sont au nombre de deux – une proposition théorique jamais encore observée : allonger la durée, parfois pour plus de 2 mois, de la perte de luminosité du flux du rayonnement X et, c’est la grande nouveauté, promouvoir une émission dans le spectre de l’ultraviolet. Autrement dit, il y a au milieu de la perte de luminosité des rayons X une sorte de clarté dans l’ultraviolet qui n’a jamais été signalée auparavant. S’appuyant sur plus de deux décennies d’études sur l’Eta Carinae, Damineli explique que « les deux phénomènes sont mélangés et créent un tableau complexe. […] S’ils avaient lieu séparément, ce serait plus difficile de les diviser ».

Le nouveau travail des Brésiliens fournit une explication plus détaillée de la dynamique des mécanismes impliqués dans la variation lumineuse (réduction périodique et temporaire de la luminosité) de l’Eta Carinae, l’étoile de la voie lactée la plus étudiée après le Soleil et l’une des plus lumineuses que l’on connaisse. Schématiquement, le premier mois des 90 jours de perte de luminosité des rayons X pourrait être mis sur le compte de l’éclipse, et les deux mois suivants attribués au mécanisme de collision des vents stellaires. Si les découvertes vont dans ce sens, les choses ne sont cependant pas aussi simples.

Si l’on sait quand commence la perte de luminosité, en revanche on ne sait pas toujours quand elle s’arrête. À titre d’exemple, la dernière a commencé comme prévu le 11 janvier 2009 mais n’a duré que 60 jours, soit 1 mois de moins que ce qui était attendu. « Il n’y a pas forcément deux pertes de luminosité égales », affirme Teodoro. « L’éclipse semble s’être rallongée de 30 jours, mais le processus de collision des vents stellaires est variable en matière de durée ». Apparemment, ce deuxième phénomène peut durer entre 30 et 60 jours.

Ce scénario complexe a été décrit en détail dans un article qui sera publié dans Astrophysical Journal (ApJ). En plus de Damineli et Teodoro qui sont les principaux auteurs de l’étude, le travail est signé par 24 chercheurs du Brésil, d’Amérique du sud, d’Europe, des États-Unis et d’Australie. Des données obtenues à l’Observatoire Austral de Recherche Astrophysique (Soar), situé à Cerro Pachón dans les Andes chiliennes – initiative de laquelle le Brésil est un des partenaires, et l’un des télescopes les plus puissants utilisés pour l’étude –, ont été fondamentales pour enregistrer des indices des phénomènes impliqués dans la perte de luminosité de l’Eta Carinae. Damineli est le coordinateur d’un projet thématique de la FAPESP qui prévoit l’installation au Soar d’un spectrographe de haute résolution, le Steles.

L’Eta Carinae est un système formé de deux étoiles dans un nuage de gaz et de poussière

RAIOS X (PARTE AMARELA DA IMAGEM) NASA/CXC/GSFC/M.CORCORAN ET AL.; ÓPTICO (EM AZUL) NASA/STSCIL’Eta Carinae est un système formé de deux étoiles dans un nuage de gaz et de poussièreRAIOS X (PARTE AMARELA DA IMAGEM) NASA/CXC/GSFC/M.CORCORAN ET AL.; ÓPTICO (EM AZUL) NASA/STSCI

Moribonde, Explosive et Mariée
Située à 7 500 années-lumière de la Terre, dans la constellation australe de la Carène et à droite de la Croix du Sud, l’Eta Carinae est un des corps célestes les plus fascinants de la voie lactée. Dans les classifications des astrophysiciens, elle apparaît comme une étoile hypergéante de la classe très rare des variables lumineuses bleues, qui compte aujourd’hui une dizaine de membres mais qui a dû être commune au début de l’Univers. C’est un objet colossal et lointain, pas visible à l’oeil nu ; seul un observateur aguerri parvient à la localiser avec une bonne paire de jumelles les soirs d’automne et d’hiver. Le diamètre de l’étoile principale du système est égal à la distance qui sépare la Terre du Soleil. Sa luminosité est encore plus impressionnante, environ 5 millions de fois supérieure à celle du Soleil. Quand elle perd sa luminosité tous les 5 ans et demi, elle cesse d’émettre dans les faisceaux de rayons X, ultraviolet et radio, une énergie équivalente à celle de 20 000 soleils.

L’Eta Carinae est une étoile d’autant plus spéciale qu’elle réunit d’autres propriétés peu ordinaires. Avec seulement 2,5 millions d’années d’existence (soit près de 1 800 fois plus jeune que le Soleil), elle est pourtant déjà une étoile moribonde et potentiellement explosive. Elle est candidate à une hypernova à tout moment entre aujourd’hui et les milliers d’années à venir. Damineli indique que sa mort devra produire une explosion de rayons gamma, le type d’événement le plus énergétique dans l’Univers ». Il y a environ 170 ans, l’étoile hypergéante est apparemment entrée dans sa phase terminale et turbulente, à l’apogée de sa décadence. Depuis, comme dans les années 1840 et à moindre échelle dans les années 1890, elle est victime de grandes éruptions, perd des dizaines de masses solaires de matière et augmente temporairement sa luminosité. En 1843, elle a été visible à l’oeil nu la journée pendant des mois et était quasiment aussi lumineuse que Sirius, l’étoile la plus brillante du ciel nocturne et très proche de la Terre (à une distance maximale de 30 années-lumière).

Suite à l’éruption, l’étoile hypergéante a acquis à cette époque un tracé qui rend son observation encore plus difficile : elle s’est retrouvée entourée par la nébuleuse Homunculus, un nuage dense de gaz et de poussière en forme de deux lobes. Selon l’astrophysicien Ross Parkin de l’Université Nationale d’Australie, « l’Eta Carinae est un objet particulièrement difficile à étudier ». Parkin est spécialisé dans la création de modèles informatiques qui tentent de reproduire l’interaction des vents stellaires de systèmes binaires et coauteur de l’article (une des simulations a été utilisée dans le travail des Brésiliens) : «Elle est difficile à voir parce qu’elle est immergée dans cette enveloppe massive de poussière ».

Le nom de Damineli est relié à l’histoire de ce mystérieux objet céleste. Faisant fi de l’opinion d’un grand nombre, il a été le premier à défendre – il y a près de 20 ans – l’idée selon laquelle l’Eta Carinae était un système à deux étoiles et non une seule, et que ce couple d’étoiles lumineux perdait périodiquement sa luminosité. Pas avare de bonnes phrases drôles mais néanmoins informatives, le professeur de l’Institut d’Astronomie, de Géophysique et de Sciences Atmosphériques (IAG) de l’USP a déclaré : « Eta carinae n’était pas seulement grosse, elle était aussi mariée ». Le chercheur senior Theodore Gull, du Goddard Space Flight Center de la Nasa, estime que ces découvertes doivent être attribuées à Damineli, « qui a été le premier à percevoir cela ».

La luminosité inattendue dans l’ultraviolet au milieu de l’obscurcissement des rayons X a été détectée en 2009 par les Brésiliens de façon indirecte, par le biais de l’enregistrement d’une faible émission sur une raie spectrale d’hélium ionisé, la raie HE II 4686 A. La mesure de valeurs positives pour cette raie est une sorte de signature spectrale qu’il existe une source de rayons ultraviolets à l’endroit observé. Damineli dit que « le signal d’hélium ionisé que nous avons vu pendant la perte de luminosité de 2009 est seulement 20 % plus élevé que la limite capable d’être mesurée par télescopes. […] Mais il équivaut à la luminosité de 10 000 soleils dans l’extrême ultraviolet. La saisie du signal a aussi été facilitée par le réseau d’observation coordonné par Teodoro il y a deux ans, quand cinq télescopes ont observé l’étoile à des moments divers. Tout cela explique pourquoi, au cours des trois pertes de luminosité précédentes qui ont également été accompagnées par la communauté scientifique (1992, 1997 et 2003), les émissions sur la raie spectrales n’ont pas été enregistrées.

Vu qu’il y a réellement une clarté dans l’ultraviolet qui se produit pendant la perte de luminosité des rayons X, la meilleure explication reste la chute des vents stellaires de l’Eta Carinae sur sa petite soeur. L’astrophysicien américain Michael Corcoran, membre du Goddard Space Flight Center et l’un des coauteurs du travail avec les chercheurs brésiliens, pense que cela montre bien que le phénomène « se produit sur une petite période de temps pendant le périastre ». Il est en cela rejoint par Nathan Smith, son confrère de l’Université d’Arizona et autre chercheur sur cette étoile : « Les auteurs de l’étude ont fait un travail scrupuleux et ont mesuré la raie d’émission de l’hélium ionisé d’une manière consistante » (Smith n’est pas l’un des coauteurs) « Leurs analyses semblent vraiment appuyer la conclusion selon laquelle la zone de collision des vents tombe temporairement sur l’étoile secondaire ».

Comprendre les interactions entre les vents stellaires des deux Eta Carinae, la plus grande et la plus petite, semble être essentiel pour découvrir les phénomènes en jeu dans la perte de luminosité. Il s’agit de jouer des coudes, mais les forces sont inégales et les opposants très différents. Également présent sur le Soleil, le vent stellaire est un mécanisme de perte de matière sous la forme d’un jet de particules généralement chargés, avec des protons et des électrons libérés par un gaz ionisé. Par ce mécanisme, l’Eta Carinae laisse échapper en une seule journée une quantité de masse équivalente à celle de la Terre. Son vent est très dense et voyage à 600 km par seconde dans l’espace. « Il est cinq fois plus lent que le vent de l’étoile secondaire, qui a un caractère plus raréfié », explique Teodoro.

La plupart du temps, les vents des deux Eta Carinae sont en équilibre. Ils se rencontrent à un point entre les deux étoiles et cette collision produit des ondes de choc qui résultent en émissions de rayons X. Ce sont ces émissions qui cessent d’être captées de la Terre pendant l’absence de luminosité de l’étoile. Quand les deux étoiles se rapprochent trop, la balance penche clairement en faveur de la plus grande. Le vent de l’étoile principale fonctionne comme un mur par rapport au jet de particules de l’autre étoile, renvoie le vent de l’Eta Carinae B. C’est ladite collision de la zone de choc des vents stellaires, le phénomène qui conduit à une émission fugace d’ultraviolet au milieu de la perte de luminosité des rayons X.

D’après les données de l’astrophysicienne allemande Andrea Mehner de l’Observatoire Européen du Sud (ESO) au Chili, le vent de l’étoile est devenu plus rare au cours des 10 dernières années et a diminué sa densité à 1/3. Néanmoins, les observations de Damineli ne corroborent pas cette interprétation. Pour lui, la densité du vent de l’Eta Carinae principale a peu varié au cours de la dernière décennie. La prochaine perte de luminosité de l’étoile sera l’occasion idéale de recueillir plus d’informations sur ce thème polémique, quand les nombreux télescopes braqueront leurs miroirs sur l’étoile hypergéante. Il doit débuter en juillet 2014.

LE PROJET Steles : spectrographe de haute résolution pour le Soar – n° 2007/02933-3 MODALITÉ Projet Thématique COORDONNATEUR Augusto Damineli – IAG / USP INVESTISSEMENT 1 373 456,33 reais (FAPESP)

Article scientifique
TEODORO, M. et al. « He II 4686 in Eta Carinae : collapse of the wind-wind collision region during periastron passage ». The Astrophysical Journal. À paraître.

 

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