De mystérieux anneaux de poussière ont été repérés aux confins de notre galaxie
Le télescope spatial James Webb a photographié d'étonnants anneaux dans la Constellation du Cygne. Enfantés par un système stellaire à deux corps, ils contiennent des éléments à l’origine de toute structure complexe dans l’univers, y compris la vie.
Ces anneaux de poussière cosmique se sont ici formés autour du système binaire Wolf-Rayet 140 et résultent de l'interaction de ces deux étoiles. La régularité remarquable de l’espacement de ces anneaux indique qu’elles se forment comme une horloge au cours du cycle orbital de huit ans des étoiles, lorsque leur proximité est la plus forte.
Quelque part, perdu dans la constellation du Cygne à 5 600 années lumières de notre planète bleue, se trouve un système stellaire très particulier. En 2022 et 2023, le télescope spatial James Webb est parvenu à capturer les images d’une époustouflante étreinte entre deux étoiles massives. La danse gravitationnelle qui unit les deux astres de la binaire Wolf-Rayet 140 (WR 140), se manifeste en projetant périodiquement d’importantes quantités de poussière qui se déploient en une multitude d’ondes, sortes de coquilles de résidus stellaires, régulièrement espacés autour du système.
Selon une étude publiée en janvier dans la revue scientifique The Astrophysical Journal Letters, cette confection cosmique en forme d’empreinte digitale de trois années lumière de circonférence, parcourt l’espace à une vitesse avoisinant 1 % de la vitesse de la lumière. Elle transporte ainsi une multitude d'ingrédients, comme le carbone, essentiels dans l’architecture de toute structure complexe dans le cosmos.
UNE BINAIRE WOLF-RAYET COMME ON N'EN AVAIT JAMAIS VUE
« Nous travaillions sur le système WR 140 depuis les années 1960, et il est à ce jour l’un des systèmes stellaires binaires les mieux étudiés », explique Emma P. Lieb, qui a dirigé de la récente recherche. Il a été découvert pour la première fois en 1867 par Charles Wolf et Georges Rayet, deux astronomes français de l’Observatoire de Paris. En pointant leur télescope de Foucault vers la constellation du Cygne, les scientifiques ont pu détecter des émissions inhabituelles provenant d’étoiles massives à l’aide d’un spectroscope.
« Toutes les étoiles, au cours de leur vie principale, subissent un processus de fusion en leur cœur, détaille Emma Lieb. Pour les étoiles massives en particulier, cette fusion commence par les éléments les plus légers et progresse vers les plus lourds. Une étoile massive brûle donc d’abord l’hydrogène, puis l’hélium, ensuite l’oxygène, puis le carbone, et ainsi de suite. » Ainsi, la signature spectroscopique des étoiles permet de déterminer leur composition chimique et notamment leur stade évolutif.
Le travail de Wolf et Rayet a permis de déterminer que ces étoiles massives sont à la fin de leur cycle d’évolution. Elles ont achevé leur processus de fusion en épuisant à cœur toutes leurs ressources d’hydrogène. Un déséquilibre se crée avec la pression gravitationnelle, libérant progressivement les couches externes de l’étoile, riches en carbone, oxygène et azote.
« Les étoiles WR génèrent donc des vents stellaires très puissants », reprend la chercheuse. Dans le cas d’un système stellaire binaire incluant une étoile Wolf-Rayet, l'interaction gravitationnelle avec une autre étoile massive engendre des projections d’immenses quantités de poussières au point le plus proche de leur parcours orbital, là où les vents stellaires entrent en collision.
Le télescope spatial James Webb est parvenu à prendre ces clichés époustouflants en très haute résolution du système Wolf-Rayet 140 à une année d’intervalle. Le cliché de gauche a été pris en 2022 tandis que celui du centre correspond à l’année 2023. L'image de droite compare les secteurs encadrés dans chacune des images et révèle la distance parcourue en une année par les 17 coquilles de poussière régulièrement espacées qui entourent le système.
Dans le cas du système binaire WR 140, ce point est atteint une fois tous les huit ans. Engagées sur un axe orbital allongé, les étoiles massives qui le composent, une étoile Wolf-Rayet et une vieille étoile bleue type OB (étoile très puissante au temps de vie limité), se rapprochent cycliquement tous les huit ans après avoir effectué leur orbite l’une autour de l’autre. Pendant quelques mois, la rencontre des vents stellaires comprime les matériaux qui s’y trouvent et forment ensuite une poussière riche en carbone. Elle est ensuite projetée autour des étoiles pour créer ces formes ovoïdes, semblables aux rainures d’un tronc d’arbre, régulièrement espacées en raison de la périodicité de l'événement.
Depuis les années 1970, de nombreuses analyses photométriques ont été réalisées, permettant de mesurer la quantité de lumière émise par l’étoile WR et son évolution au fil du temps. « Ces variations lumineuses suivent un schéma sinusoïdal très net, ce qui confirme que WR 140 est bien un système binaire WR », confirme l’astrophysicienne.
Or, les images exceptionnelles capturées par le télescope spatial James Webb en 2022 et 2023, à précisément quatorze mois d’écart, outrepassent toutes les analyses photométriques et observations radio réalisées jusqu’alors. Elles apportent une compréhension inédite de ce système à deux étoiles entouré de dix-sept coquilles de poussière visibles, et éclairent le processus de production de poussière stellaire, ingrédient essentiel dans la formation des galaxies.
LA POUSSIÈRE STELLAIRE, GRANDE ARCHITECTE DU COSMOS
« Le champ de dispersion de la poussière autour du système WR 140 s’étend bien au-delà des dix-sept anneaux visibles. Il englobe des dizaines de milliers d’unités astronomiques (UA), soit des centaines de fois la taille de notre système solaire », explique Emma Lieb. « On estime que les anneaux de ce système à deux corps, chargés à chaque nouvelle orbite de plusieurs centaines de masses terrestres de poussière, sont propulsés dans la Voie Lactée depuis environ cent cinquante ans et viennent enrichir le milieu interstellaire. »
Mais en quoi cette poussière est-elle importante ?
« Il existe un facteur appelé le budget de poussière, qui correspond à la quantité de poussière présente dans une galaxie », détaille la chercheuse. Les composants chimiques fondamentaux contenus dans cette poussière contribuent à la formation de molécules plus complexes dans le cosmos environnant. Ces molécules permettent à leur tour la formation de corps célestes. Plus ce budget est élevé au sein d’une galaxie, plus la probabilité de formation de systèmes stellaires et planétaires augmente.
« Or, là où des planètes se forment, il existe une possibilité que la vie émerge. »
Dans cette image infrarouge, les vents stellaires d'une étoile géante provoquent la formation d'ondulations dans la poussière interstellaire. Ces poussières d'étoiles existent en très grandes quantités, et contiennent de l'oxygène, du carbone, du fer, du nickel et tous les autres éléments. Une partie de cette poussière finit par se retrouver dans notre organisme.
Cette poussière qui contient les « briques fondamentales de la vie » et qui sert de principal matériau de construction pour les objets cosmiques, peut être produite dans différents contextes :
- Les étoiles AGB (Asymptotic Giant Branch) ; un type d’étoile très massive, riche en carbone et capable de produire de la poussière tout au long de son évolution ; sont à ce jour considérées comme les premiers producteurs de poussière.
- Les supernovas, explosions qui peuvent survenir à la mort d’une étoile, peuvent également contribuer à enrichir l’environnement chimique de l’univers si l’étoile en question est suffisamment massive
- Les systèmes WR, où une étoile Wolf-Rayet et une étoile massive interagissent, constituent une dernière catégorie, bien qu’on ignore encore la place qu’ils occupent dans la production de poussière.
Notre galaxie compte probablement une centaine de systèmes binaires de type WR. L’astrophysicienne fait cependant remarquer que « les producteurs de poussière sont plus rares, car ils doivent être riches en carbone et disposer d’une configuration permettant aux vents stellaires d’entrer en collision. » Seuls quelques systèmes semblables à WR 140 ont été découverts, notamment dans le Grand et le Petit Nuage de Magellan. « Il n’y en a probablement pas plus d’une douzaine dans nôtre galaxie et l’un de nos principaux objectifs est de déterminer s’ils sont des contributeurs significatifs de poussière. »
Cette configuration à deux corps des WR est aussi théoriquement possible dans un système stellaire à trois corps, où trois étoiles, dont une Wolf-Rayet, gravitent les unes autour des autres. « En revanche, dans un système tertiaire, l’orbite serait beaucoup plus chaotique, et la formation de poussière ne suivrait probablement aucun schéma régulier, explique Emma Lieb. Cela rendrait les observations beaucoup plus complexes, car les données obtenues seraient moins structurées et bien plus difficiles à mesurer. »
Les images inédites prises par le télescope spatial James Webb permettent pour la première fois de comparer la distance parcourue par les coquilles de poussière en une année, et d’en estimer la vitesse. « Nous avons calculé qu’elles s’éloignent des étoiles à 270 km/s, soit presque 1 % de la vitesse de la lumière, fait remarquer la scientifique. C’est une vitesse extrêmement élevée, mais pas surprenante, car elle correspond à peu près à la vitesse des vents stellaires (WC7) de ces étoiles massives. »
Connaître la vitesse de propagation, mais également les quantités de poussières stellaires produites par un système comme WR 140, est un nouveau paraître crucial car il permet d’envisager une compréhension plus complète du processus d’enrichissement chimique des galaxies.
« La quantité de poussière produite par un système comme celui-ci joue un rôle important dans la définition de notre voisinage cosmique d’exoplanètes, confie Emma Lieb. Plus nous comprenons cet environnement, plus nous avons d’informations pour déterminer quelles sont les planètes similaires à la Terre, où elles se trouvent et quelle est la probabilité qu’elles puissent héberger la vie. »
