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Le dernier hourra d’une étoile mourante

Agrandir / La nébuleuse du papillon, située à un peu moins de 4 000 années-lumière de la Terre dans la constellation du Scorpion, est un exemple frappant de nébuleuse planétaire, l’étape finale de l’évolution d’une étoile de petite à moyenne taille. Les “ailes” diaphanes du papillon sont constituées de gaz et de poussière qui ont été expulsés de l’étoile mourante et illuminés de l’intérieur par le noyau restant de l’étoile. La forme symétrique à double lobe de la nébuleuse est un signe révélateur qu’une étoile compagne a contribué à façonner les gaz sortants. L’étoile primaire et sa compagne sont cachées par le voile de poussière au centre de la nébuleuse.

Dans des milliards d’années, alors que notre Soleil approche de la fin de sa vie et que les noyaux d’hélium commencent à fusionner dans son noyau, il gonflera de façon spectaculaire et se transformera en ce qu’on appelle une étoile géante rouge. Après avoir avalé Mercure, Vénus et la Terre avec à peine un rot, il deviendra si gros qu’il ne pourra plus retenir ses couches de gaz et de poussière les plus externes.

Dans un dénouement glorieux, il éjectera ces couches dans l’espace pour former un beau voile de lumière, qui brillera comme une enseigne au néon pendant des milliers d’années avant de s’estomper.

La galaxie est parsemée de milliers de ces mémoriaux ressemblant à des joyaux, connus sous le nom de nébuleuses planétaires. Ils sont l’étape finale normale pour les étoiles qui vont de la moitié de la masse du Soleil à huit fois sa masse. (Les étoiles plus massives ont une fin beaucoup plus violente, une explosion appelée supernova.) Les nébuleuses planétaires se présentent sous une étonnante variété de formes, comme le suggèrent des noms comme le crabe du sud, l’œil de chat et le papillon. Mais aussi beaux soient-ils, ils ont aussi été une énigme pour les astronomes. Comment un papillon cosmique émerge-t-il du cocon rond apparemment sans relief d’une étoile géante rouge ?

Les observations et les modèles informatiques pointent maintenant vers une explication qui aurait semblé farfelue il y a 30 ans : la plupart des géantes rouges ont une étoile compagne beaucoup plus petite cachée dans leur étreinte gravitationnelle. Cette deuxième étoile façonne la transformation en une nébuleuse planétaire, un peu comme un potier façonne un vaisseau sur un tour de potier.

Le nouveau télescope spatial James Webb de la NASA a révélé des détails extraordinaires dans la nébuleuse de l'anneau sud, une nébuleuse planétaire située à environ 2 500 années-lumière dans la constellation Vela.  A gauche, une image en proche infrarouge montre de spectaculaires coquilles de gaz concentriques, qui relatent l'histoire des explosions de l'étoile mourante.  A droite, une image dans l'infrarouge moyen distingue facilement l'étoile mourante au centre de la nébuleuse (rouge) de son étoile compagne (bleue).  Tout le gaz et la poussière de la nébuleuse ont été expulsés par l'étoile rouge.
Agrandir / Le nouveau télescope spatial James Webb de la NASA a révélé des détails extraordinaires dans la nébuleuse de l’anneau sud, une nébuleuse planétaire située à environ 2 500 années-lumière dans la constellation Vela. A gauche, une image en proche infrarouge montre de spectaculaires coquilles de gaz concentriques, qui relatent l’histoire des explosions de l’étoile mourante. A droite, une image dans l’infrarouge moyen distingue facilement l’étoile mourante au centre de la nébuleuse (rouge) de son étoile compagne (bleue). Tout le gaz et la poussière de la nébuleuse ont été expulsés par l’étoile rouge.

La théorie dominante de la formation des nébuleuses planétaires n’impliquait auparavant qu’une seule étoile, la géante rouge elle-même. Avec seulement une faible emprise gravitationnelle sur ses couches externes, il perd de la masse très rapidement vers la fin de sa vie, perdant jusqu’à 1% par siècle. Il bouillonne également comme une marmite d’eau bouillante sous la surface, ce qui fait entrer et sortir les couches externes. Les astronomes ont émis l’hypothèse que ces pulsations produisent des ondes de choc qui soufflent gaz et poussière dans l’espace, créant ce qu’on appelle un vent stellaire. Pourtant, il faut beaucoup d’énergie pour expulser complètement cette matière sans la faire retomber dans l’étoile. Ce ne peut être aucun doux zéphyr, ce vent ; il doit avoir la force d’un souffle de fusée.

Une fois que la couche externe de l’étoile s’est échappée, la couche interne beaucoup plus petite s’effondre en une naine blanche. Cette étoile, qui est plus chaude et plus brillante que la géante rouge dont elle est issue, éclaire et réchauffe le gaz qui s’échappe, jusqu’à ce que le gaz commence à briller de lui-même – et nous voyons une nébuleuse planétaire. L’ensemble du processus est très rapide selon les normes astronomiques mais lent selon les normes humaines, prenant généralement des siècles, voire des millénaires.

Jusqu’au lancement du télescope spatial Hubble en 1990, “nous étions à peu près sûrs d’être sur la bonne voie” pour comprendre le processus, déclare Bruce Balick, astronome à l’Université de Washington. Puis lui et son collègue Adam Frank, de l’Université de Rochester à New York, étaient à une conférence en Autriche et ont vu les premières photos de nébuleuses planétaires de Hubble. “Nous sommes sortis prendre un café, avons vu les photos et nous savions que le jeu avait changé”, explique Balick.

Les astronomes avaient supposé que les géantes rouges étaient sphériquement symétriques et qu’une étoile ronde devrait produire une nébuleuse planétaire ronde. Mais ce n’est pas ce que Hubble a vu, même pas proche. “Il est devenu évident que de nombreuses nébuleuses planétaires ont des structures axisymétriques exotiques”, explique Joel Kastner, astronome au Rochester Institute of Technology. Hubble a révélé des lobes, des ailes et d’autres structures fantastiques qui n’étaient pas ronds mais symétriques autour de l’axe principal de la nébuleuse, comme s’ils étaient tournés sur ce tour de potier.

Sur les premières photos d'observatoires au sol, la nébuleuse du Crabe du Sud semblait avoir quatre

Sur les premières photos d’observatoires au sol, la nébuleuse du Crabe du Sud semblait avoir quatre “pattes” incurvées comme un crabe. Mais des images détaillées du télescope spatial Hubble montrent que ces jambes sont les côtés de deux bulles qui forment à peu près une forme de sablier. Au centre des bulles se trouvent deux jets de gaz, avec des “nœuds” qui peuvent s’allumer lorsqu’ils rencontrent le gaz entre les étoiles. Le Crabe du Sud, situé à plusieurs milliers d’années-lumière de la Terre dans la constellation du Centaure, semble avoir eu deux événements de libération de gaz. Il y a environ 5 500 ans, un événement a créé le «sablier» extérieur et un événement similaire il y a 2 300 ans a créé l’intérieur, beaucoup plus petit.

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