En observant directement des populations stellaires âgées, les chercheurs ont décrit les conditions qui prévalaient à l’époque à laquelle les étoiles se sont formées dans notre galaxie. Ils ont notamment déterminé l'alignement des axes de rotation des étoiles dans deux amas ouverts2, remettant en question les modèles classiques de formation d'étoiles. Les résultats de cette étude d’astérosismologie sont aussi accompagnés de simulations 3D d'effondrement de nuages pré-stellaires.
La plupart des étoiles de la Voie lactée se sont formées par l'effondrement d'un nuage de gaz géant dans des zones obscurcies par le gaz et les poussières, ce qui les rend difficiles à observer directement. C’est pourquoi la compréhension des mécanismes qui régulent la formation des étoiles représente un grand défi pour l'astrophysique moderne. Avec cette découverte publiée dans Nature Astronomy, les scientifiques apportent un éclairage nouveau sur des processus jusque-là sous-estimés qui jouent un rôle important dans l'évolution stellaire et la formation planétaire, ainsi que, de manière générale, dans la formation et l'évolution de notre galaxie.
Avec l'avènement de la photométrie spatiale de haute précision, l'astérosismologie3 a démontré sa capacité à sonder les intérieurs stellaires et à déterminer les paramètres fondamentaux des étoiles. L’équipe a analysé la lumière émise par environ cinquante géantes rouges4 de masse comprise entre une et deux masses solaires. Ces étoiles, présentes dans deux anciens amas ouverts de la Voie lactée (NGC 6791, âgé de huit milliards d’années, et NGC 6819, âgé de deux milliards d’années) ont été observées pendant quatre ans en continu par le satellite Kepler de la Nasa et présentent des oscillations observables distinctement qui sont similaires à celles du Soleil.
Simulation numérique de la fragmentation d’un amas d’étoiles jusqu’à la formation des étoiles (à gauche) avec un zoom sur la partie la plus centrale de l’amas (à droite). Les axes d’inclinaison des étoiles de masses similaires à celles observés par le satellite Kepler (dans l’amas NGC 6791) s’alignent dans cette simulation lorsque l’énergie cinétique du nuage original est comparable à l’énergie turbulente ambiante. © E.Corsaro & Y.-N Lee
Les axes de rotation des étoiles pointent vers une direction commune dans le ciel
Les milliers de modes d'oscillation présents ont rendu possible la mesure précise de l’orientation de l'axe de rotation de chaque étoile de l'échantillon. Le résultat a été surprenant car presque toutes les étoiles (environ 70 %) présentent des axes de rotation fortement alignés les uns par rapport aux autres et qui pointent vers une direction commune dans le ciel. Comme le souligne le premier auteur Enrico Corsaro, astrophysicien au CEA : « c’était totalement inattendu car normalement la turbulence générée par les mouvements désordonnées du gaz dans les amas aurait dû produire des axes distribués aléatoirement ». Compte tenu de la morphologie des amas d’étoiles et des distances importantes les séparant dans un amas ouvert, les scientifiques ont conclu que ce fort alignement des axes de rotation ne peut être dû à des interactions de marées et a nécessairement eu lieu à l'époque de la formation des amas, il y a des milliards d'années.
1 Les laboratoires français impliqués dans cette étude sont le laboratoire Astrophysique, Instrumentation, Modélisation (CEA/CNRS/Université Paris Diderot) et l’Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (Université Grenoble Alpes/CNRS).
2 Un amas ouvert est un amas stellaire groupant environ de 100 à 1 000 étoiles de même âge liées entre elles par la gravitation.
3 L'astérosismologie étudie les oscillations (appelées mouvements sismiques) des étoiles, permettant d’étudier la structure interne des étoiles car la structure et la composition des étoiles variant au cours de leur évolution, leurs modes de vibrations évoluent selon leur âge. L'astérosismologie permet ainsi d'estimer assez précisément l'âge des étoiles.
4 Une géante rouge est une étoile qui a brûlé tout l’hydrogène présent dans son cœur.
5 Un proto-amas est un nuage de gaz en train de s'effondrer sous l’effet de la gravitation.
6 C’est la mission « Planetary Transits and Oscillations of stars » don’t le lancement est prévu en 2024.
Grâce à des simulations hydrodynamiques numériques en 3D, les astrophysiciens ont pu reproduire différentes conditions ayant présidé à la formation des étoiles. Ces simulations font notamment varier la quantité d‘énergie liée à la rotation initiale du proto-amas5 par rapport à celle associée aux turbulences. Ils ont pu déterminer avec ces simulations que les axes des étoiles s’alignent efficacement lorsqu’au moins 50 % du bilan d’énergie total des proto-amas est associé à la rotation. Cela montre que les propriétés de la rotation du nuage moléculaire (notamment sa vitesse angulaire globale) ont été efficacement transférées vers les étoiles individuelles se formant à l'intérieur du nuage. En outre, seules les étoiles dont la masse est suffisamment importante (d’au moins 0,7 masse solaire) peuvent hériter de ces propriétés. Par conséquent, les étoiles moins massives ne possèdent pas cet alignement observé des axes de rotation, car leur processus de formation a été en grande partie dominé par des turbulences qui ont brouillé ce mouvement angulaire. Rafael García, astrophysicien au CEA, résume : « nous avons maintenant de nouvelles règles du jeu. L'étude du noyau profond des géantes rouges lointaines permet d’éclairer les conditions primordiales de la formation d'étoiles dans des amas stellaires âgés de huit milliards d'années, quand l'Univers était encore très jeune. »
Ce diagramme montre les variations d’amplitude d’un mode d’oscillation dipolaire (avec 3 composantes) en fonction de l’angle d’inclinaison de l’axe de rotation de l’étoile. Quand l’étoile est alignée avec la ligne de visé (0°), seule la composante centrale de l’oscillation est décelable. Observée à 90°, comme c’est le cas pour le Soleil vu depuis la Terre, seules les deux composantes de l’extrémité de l’oscillation sont observables. En mesurant les amplitudes relatives de ces trois composantes, il est possible de déduire l’angle d’inclinaison de l’étoile. © E.Corsaro
A l’avenir, les observations effectuées par la future mission M3 Plato6 de l’Agence spatiale européenne permettront de confirmer et d'étendre ces analyses à de nombreux autres amas stellaires de notre galaxie.
Explication de l’origine de l’alignement des axes de rotation stellaires dans un vieil amas. © E.Corsaro