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Hubi 1, la résurrection d'une étoile

Médiation

Média : Ama²

Thème : Inside-Out Nebulae, Etoiles renaissantes, nébuleuses planétaires

· Actualités

Une étoile qui ressuscite ? Oui, ça existe !

En Août 2018 des chercheur.e.s ont montré que certaines étoiles ont la capacité de revenir à la vie.

Une étoile ordinaire naît d'une nébuleuse, enfle en géante rouge pour mourir en libérant ses couches externes en une flamboyante nébuleuse planétaire, abritant une naine blanche en son centre.

MAIS, ces scientifiques ont prouvé1 que dans certains cas, ces naines blanches engloutissent de nouveau la matière qui les entoure leur procurant l'énergie nécessaire pour revenir à la vie en fusionnant de nouveau leur plasma.

Cette résurrection entraîne alors une très forte modification des processus physiques de la nébuleuse planétaire et en inverse totalement sa structure.

Les nébuleuses planétaires ordinaires

Les étoiles dites ordinaires sont des étoiles de petite masse, constituées à leur naissance d'hydrogène très chaud appelé plasma. Leur vie commence au sein d'une nébuleuse, puis se déroule tranquillement sur une séquence typique appelée "séquence principale", définissant les étoiles qui brûlent leur hydrogène tout au long de leur vie. Elles meurent calmement, car elle ne sont pas assez massives pour exploser en Super Nova.

Au cours de leur vie, les étoiles ordinaires brûlent d'abord leur hydrogène, puis l'hélium, ensuite le carbone l'azote et l'oxygène au cœur, décalant la fusion de l'hydrogène vers des couches plus externes.

Par jeu d'équilibre-déséquilibre, son cœur se contracte et libère une quantité d'énergie très importante, appelée "énergie gravitationnelle". Il y a alors deux sources d'énergie rayonnées du centre de l'étoile vers sa surface : une production interne venant de la fusion de l'hélium au cœur et une production en périphérie lors de la fusion de l'hydrogène dans les couches externes.

Ces deux sources d'énergie dirigées vers l'extérieur de l'étoile induisent une pression élargissant le rayon de l'étoile. Elle devient alors une géante rouge : plus lumineuse par augmentation de la surface mais également plus froide, d'où sa couleur rouge.
Lorsque la géante rouge n'a plus l'énergie suffisante pour brûler son carburant, elle libère ses couches externes riches en hydrogène dans le cosmos, qui se propagent plus ou moins uniformément, produisant ce que l'on appelle une nébuleuse planétaire, abritant en son centre le cœur de la géante rouge : une naine blanche.
Ce résidu d'étoile au centre de la nébuleuse émet de la lumière en Ultra-Violet (UV). Ces radiations interagissent avec les particules de l'enveloppe de gaz.
Dans certains cas, la lumière émise sous forme de photons est tellement énergétique qu'elle frappe les atomes du milieu ambiant et en arrache des électrons : on appelle cela "ioniser la matière".

La matière la plus proche de l'étoile subit de plein fouet les collisions avec les photons énergétiques, et en s'éloignant de la naine blanche, les particules sont moins ionisées car il y a décroissance énergétique du photon au cours de son déplacement dans le milieu environnant : le milieu interstellaire.

Les nébuleuses planétaires apparaissent de différentes couleurs : la lumière frappe la matière et est absorbée par les particules puis ré-émise à une autre longueur d'onde, température et donc couleur.

Nébuleuse de l'haltère - Messier 27

@Wikipédia, Nébuleuse de l'haltère - Messier 27

Le cas d'HuBi 1, une "inside-out nebula"

Dans les années 1990, Hu et Bibo observent une nébuleuse planétaire dont les propriétés sont exceptionnelles et la nomment HuBi 1.

Hubi 1 est extraordinaire car c'est une nébuleuse planétaire dont la couche interne est constituée de matière qui n'a pas été ordinairement ionisée par les photons de l'étoile, mais les particules ont subit ce que l'on appelle une onde de choc, c'est-à-dire qu'elles ont été traversées par une onde qui se déplace plus rapidement que la matière elle même.

Elle présente une deuxième atypie : la couche interne d'HuBi 1 est moins ionisée que la couche externe, contrairement au cas standard. Et ses couches internes et externes sont inversées par rapport aux nébuleuses planétaires ordinaires.

Enfin, un troisième écart au cas ordinaire est observé : HuBi 1 présente une couche externe en cours de recombinaison. La matière se recombine lorsqu'elle n'est plus ionisée, chauffée. Cela signifie que les atomes redeviennent neutres, récupérant le ou les électron qui leur avait été arraché(s).

Images des nébuleuses planétaires IC 418 (à gauche), HuBi 1 (au centre) et NGC 6720 (à droite). L'émission de particules faiblement ionisées sont dans des couleurs rouges-rougeâtres, alors que les particules fortement ionisées sont dans les couleurs vertes et bleues. On remarque bien l'inversion flagrante entre HuBi 1 et les deux autres nébuleuses planétaires sur l'image ci-dessous.

@AstronomyCommunity, Comparaison d'HuBi 1 avec deux nébuleuses planétaires standards

Tant d'observations incomprises ont animé les recherches d'un groupe de scientifiques, écrivant un article en Août 2018 sur une découverte aussi hors-norme que la nébuleuse HuBi 1 elle-même : l'étoile centrale à ce nuage de gaz s'est remise à fusionner et est donc ressuscitée.

Une étoile qui ressuscite : cause de ce phénomène extraordinaire

L'étoile répondant au doux nom de RAS 17514-1555 est une étoile qui ressemblait fortement à notre étoile, de taille et de masse très similaires. Elle a donc évolué de manière analogue à celle énoncée plus haut.
Les étoiles définies par ces propriétés sont des astres n'ayant pas assez d'énergie pour entamer la fusion du carbone et de l'oxygène en leur cœur. Une fois atteint le stade de géantes rouges, elles libèrent leur couches externes, alors que le cœur est encore d'Hélium. Les étoiles concernées par cette libération anticipée sont celles dont la masse n'excède pas deux fois la masse du Soleil.

Lors de la libération des couches extérieures de la géante rouge, l'étoile vit ce que l'on appelle une "impulsion thermique tardive". Ce phénomène se déroule lorsque de la matière tombe sur la surface du cœur résidu d'Hélium, créant ainsi du carbone. L'impulsion thermique entraîne un rapide retour de l'étoile alors naine blanche vers un stade de géante rouge, brûlant de nouveau son hélium, entraînant un déficit en hydrogène.

Voilà l'évolution de l'étoile centrale d'HuBi 1 dans le diagramme d'Herzprung-Russel qui exprime la luminosité en fonction de la température. L'étoile subit ce que l'on appelle une impulsion thermique tardive la faisant remonter dans la branche des géantes rouges.

 

@AstronomyCommunity, Diagramme HR de RAS 17514-1555

Ces retombées de matière à la surface entraînent des projections de carbone à une vitesse plus élevée que la vitesse d'expansion de la nébuleuse planétaire.
Ce processus répond alors à la première observation des curieuses caractéristiques d'HuBi 1 : la matière est choquée, et non photo-ionisée.
En effet, lorsqu'un flux de matière se propage dans un milieu, à plus grande vitesse que celle d'expansion du milieu, alors il en résulte des ondes de choc.

Les couches externes de la "nouvelle" géante rouge sont rapidement ré-expédiées, et ionisées, l'étoile redevient naine blanche.
Les chercheur.e.s ont découvert que sur les 46 dernières années, les relevés de RAS 17514-1555 ont révélé une chute vertigineuse de la température.

La nouvelle naine blanche s'entoure d'un disque de matière très dense et sombre de carbone et d'oxygène, dû au phénomène de renaissance de l'étoile.

Ce disque refroidit en s'éloignant, et se transforme en poussières.

HuBi 1 a donc une couche riche en hydrogène à l'extérieur et une couche riche en métaux plus lourds à l'intérieur.

Cependant, le disque de matière lourd empêche l'étoile de rayonner comme à l'habitude, entraînant une baisse de température autour de l'étoile. Ainsi, ce processus fournit une explication aux deux dernières observations mentionnées plus haut : la coquille interne de la nébuleuse planétaire n'est plus chauffée, car l'étoile centrale est cachée par la matière, laissant la couche externe plus ionisée que la couche interne.

Pour finir, RAS 17514-1555 ne chauffant plus la nébuleuse de manière suffisamment efficace, la coquille externe commence à redevenir neutre, les atomes précédemment ionisés récupérant leurs électrons volés.
Tout semble indiquer que ces "born-again stars", étoiles renaissantes, soient l'explication à la totale inversion que subit HuBi 1 dans son développement de jeune nébuleuse.

Ces observations d'étoiles atypiques ne sont pas les premières opérées, même si l'observation d'une nébuleuse inversée, "inside-out nebula" l'est.

@Wikipédia, Sakurai's Object

Même si les observations de ce type de phénomènes restent assez rares aujourd'hui2, HuBi 1 et RAS17514-15555 fournissent un lien jusqu'alors inconnu dans l'explication de la formation des étoiles riches en métaux qui proviennent d'étoiles génitrices de faibles masses.

Nathalie Bauchet

1. "The inside-out planetary nebula around a born-again star"- ArXiv
2. RAS 17514-1555 ne serait pas la seule étoile de ce type connue. Par exemple le "Sakurai's Object" (ou V 4334 Sgr) se trouvant dans la constellation de Sagittarius est suspectée d'être une ancienne naine blanche, de retour à son stage de géante rouge, par une impulsion thermique tardive ou encore V605 Aquilae serait également sur la liste de ces étoiles ressuscitée.

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