Une étoile "impossible" intrigue les astrophysiciens

Elle serait âgée d’au moins 13 milliards d’années, ne contiendrait pas d’éléments métalliques, ou presque... et elle n’aurait donc pas dû pouvoir se former. L’étoile SDSS J102915+172927 est la star d’une publication de Nature et représente un défi aux modèles de la formation stellaire.

Les étoiles de première génération sont nées au cours des premières centaines de millions d’années après le Big Bang, c'est-à-dire à partir du gaz laissé par la nucléosynthèse primordiale. Ainsi, la caractéristique d'une étoile de première génération est qu’elle ne contient pas d’éléments plus lourds que le lithium et donc pas de carbone, d’oxygène, d’azote et encore moins de fer. Tous ces éléments seront synthétisés ultérieurement dans le cœur de ces étoiles, lorsqu’elles sont suffisamment massives, et ils seront dispersés dans le milieu interstellaire lorsque des étoiles d’au moins 8 masses solaires exploseront en supernovae. Notre Soleil est lui une étoile de deuxième génération car il s’est formé, comme les planètes de notre Système solaire, à partir d’un nuage de gaz enrichi en éléments lourds par les explosions des étoiles de première génération.

Les astrophysiciens ont une étrange manie : pour eux, tous les éléments autres que l’hydrogène et l’hélium sont des métaux. Et lorsqu’ils analysent l’atmosphère d’une étoile (qui doit être le reflet de la composition chimique initiale du nuage de gaz ayant donné lieu à la formation de l’astre) ils parlent de sa métallicité. Plus une étoile a une métallicité élevée, plus elle s’est formée tardivement dans l’histoire de sa galaxie. Comme on sait qu’une étoile évolue d’autant plus rapidement qu’elle est massive, parfois en quelques millions d’années seulement, on a toutes les raisons de penser, lorsque l’on découvre une étoile de quelques masses solaires tout au plus et avec une faible métallicité, que l’on est en présence d’une étoile née il y a plusieurs milliards d’années.

Les observations montrent que les étoiles les plus vieilles de notre galaxie, la Voie lactée, se trouvent majoritairement dans le bulbe et dans le halo qui l'entoure. Elles font l’objet d’études depuis très longtemps et c’est ainsi qu’une équipe d’astrophysiciens européens a fini par observer de plus près, avec les instruments X-shooter et Uves sur le VLT, l’étoile SDSS J102915+172927.

Initialement détectée dans le cadre du Sloan Digital Sky Survey ou SDSS (les numéros font référence à la position de l’objet dans le ciel), cet astre se trouve à environ 4.000 années-lumière de distance dans la constellation du Lion. Il fait partie du halo et comme le montre cette vidéo, son orbite est très inclinée par rapport au plan galactique. On avait toutes les raisons de penser qu’il s’agissait d’une vieille étoile mais la détermination de sa métallicité et de sa masse ont surpris les astrophysiciens.

La proportion de métaux dans SDSS J102915+172927 est en effet plus de vingt mille fois inférieure à celle du Soleil. Seul du calcium a pu être détecté, pas même du lithium. Avec 0,8 masse solaire, ces observations indiquent donc que cette étoile est très vieille, plus de 13 milliards d’années. C’est incontestablement l’une des plus vieilles étoiles de la Voie lactée et cette estimation est d’autant plus impressionnante que celle de l’âge de l’univers donnée par les mesures de WMap est de 13,7 milliards d’années.

Or, de nos jours, pour que des étoiles se forment, la présence d’éléments lourds comme le carbone et l’oxygène est essentielle. Les premières étoiles s’en sont passées très probablement parce qu’elles étaient très massives et grâce à la présence de molécules d’hydrogène. Dans le cas de SDSS J102915+172927, la théorie de la formation stellaire (amplement soutenue par les observations effectuées jusqu’à présent) est formelle.

Une étoile de si faible masse et avec une telle pauvreté en métaux n’aurait pas dû pouvoir se former !

L’énigme devient plus épineuse lorsque l’on se rend compte que l’absence de lithium détectable ne cadre pas avec la théorie de la nucléosynthèse primordiale. Une étoile aussi pauvre en métaux a dû se former à partir d’un nuage de matière très primitif. Il doit donc contenir du lithium.

Pour le moment, la seule explication possible pour son absence dans l’atmosphère de SDSS J102915+172927 est que des réactions thermonucléaires l’ont détruit. Mais il faut pour cela faire intervenir des températures d’au moins 2 millions de kelvins, ce qui est là encore très inhabituel pour des naines de ce genre.

Une telle étoile paradoxale n’est très probablement pas seule dans le halo. Comme l’indique l’astrophysicienne Elisabetta Caffau : « Nous avons identifié plusieurs autres étoiles candidates qui doivent avoir des niveaux de métal similaires, voire plus faibles, que dans SDSS J102915+172927. Nous envisageons maintenant de les observer avec le VLT afin de voir si c’est bien le cas ».

Pour l’étude des étoiles primordiales : "C'est un nouveau spécimen de cette seconde génération d'astres que les chercheurs du laboratoire Galaxies, Etoiles, Physique et Instrumentation GEPI (Observatoire de Paris, CNRS, Université Paris Diderot), de l'Université de Picardie Jules Verne (Amiens) et du laboratoire Cassiopée (Observatoire de la Côte d'Azur, CNRS, Université de Nice-Sophia Antipolis) viennent de découvrir en collaboration avec des collègues italiens et allemands. Ils l'ont débusqué parmi les 2 899 étoiles identifiées comme potentiellement primitives dans le recensement américain du Sloan Digital Sky Survey (SDSS). A la date de l'observation, un tiers seulement de ces objets essentiellement situés dans l'hémisphère céleste nord étaient accessibles au Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral ESO sur le Paranal au Chili. Au final, une sélection plus restreinte de six candidats a été étudiée et l'on s'attend à ce que 5 à 50 étoiles similaires, pauvres en éléments lourds tels que carbone, magnésium, silicium, calcium, fer et strontium, puissent ainsi être identifiées.

Le meilleur des six candidats retenus, l'étoile SDSS J102915+172927, apparaît dans le ciel comme un infime point lumineux de magnitude 17, c'est-à-dire 25 000 fois trop faible pour pouvoir être aperçu à l'œil nu. Les scientifiques ont analysé son rayonnement à l'aide des instruments X-Shooter et Ultraviolet and Visual Echelle Spectrographe (UVES) installés sur Kueyen, l'un des quatre télescopes de 8 mètres de diamètre qui composent le Very Large Telescope. X-Shooter notamment est un spectrographe capable d'étudier en une seule fois
toutes les gammes de lumières depuis le proche infrarouge jusqu'à l'ultraviolet. Il est équipé d'une optique à intégrale de champ qui le rend très efficace. Cet élément ainsi que le logiciel de réduction de données ont été conçus et fournis par l'Observatoire de Paris/GEPI (Observatoire de Paris, CNRS, Université Paris Diderot). X-Shooter opère régulièrement sur le ciel depuis 2009.


Surprise : les données acquises ont révélé que l'étoile primitive surnommée « étoile de Caffau » se compose presque uniquement des éléments légers hydrogène et hélium issus du big bang. Les éléments lourds synthétisés plus tard, ultraminoritaires, ne comptent que pour 0,00007 % de sa matière. . C'est 20 000 fois moins que ce que l'on mesure dans l'atmosphère du Soleil. En outre, l'étoile ne présente pas d'anomalie, d'enrichissement en carbone et oxygène, contrairement à ce
qui a pu être constaté jusqu'ici dans ce type d'astre.


Problème : selon les modèles les plus classiques de formation d'étoiles, de telles naines uniformément pauvres en éléments lourds ne devraient pas pouvoir exister. En effet, avec si peu d'éléments lourds, un renforcement du carbone et de l'oxygène apparaissait comme essentiel
pour que le nuage de gaz géniteur se refroidisse et se condense. Il n'en est rien. Dans ce cas au moins, la théorie devra être révisée.


Autre curiosité à expliquer : SDSS J102915+172927 s'avère très pauvre en lithium : un élément léger, primordial et fragile. Aux origines de l'Univers, il a accompagné l'hydrogène et l'hélium à l'état de trace. Mais pourquoi a-t-il disparu ici ? Quel processus l'a détruit ? Une idée
plausible serait que la matière stellaire a été chauffée jusqu'à une température de plus de 2 millions de degrés à laquelle le lithium ne survit pas.


La petite étoile discrète découverte dans la constellation du Lion vient donc mettre à l'épreuve les scénarios astrophysiques consacrés qui prédisent... qu'elle ne devrait pas exister.

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© © ESO / DSS 2 / Observatoire de Paris
Au
centre : l'étoile la plus primitive connue, SDSS J102915+172927 de la
constellation du Lion, est très pauvre en éléments chimiques lourds.
Elle serait âgée de plus de 13 milliards d'années.

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Images
Les illustrations proposées ci-dessous sont disponibles sur demande auprès des relations presse et, à partir de la levée d'embargo, en cliquant sur les liens suivants :
A - L'étoile la plus primitive
http://www.eso.org/public/images/eso1132a/
(ESO / DSS2 / Observatoire de Paris)
B – Sa composition
http://www.eso.org/public/images/eso1132b/
(ESO / DSS2 / Observatoire de Paris)
C – Une étoile remarquable de la constellation du Lion
http://www.eso.org/public/images/eso1132c/
(ESO / A. Fuji / DSS2 / Observatoire de Paris)
D - Son rayonnement (spectre)
http://www.eso.org/public/images/eso1132d/
(ESO / E. Caffau / Observatoire de Paris)


Vidéo
zoom sur l'étoile remarquable
http://www.eso.org/public/videos/eso1132a/
(ESO / A. Fuji / DSS2 / Observatoire de Paris / J. Dyson Moonwind)

Pour en savoir plus

Voir le communiqué de l'ESO (en anglais) :
http://www.eso.org/public/images/eso1132a/

Voir
le communiqué et le dossier de presse « X-Shooter : le spectrographe le plus efficace pour saisir le ciel » du 25 mai 2009 : http://www.grandpublic.obspm.fr/X-shooter-le-spectrographe-le-plus
Références :

L'équipe scientifique comprend : Elisabetta Caffau (Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg [ZAH], Allemagne et GEPI — Observatoire de Paris, Université Paris Diderot, CNRS, France), Piercarlo Bonifacio (GEPI), Patrick François (GEPI et Université de Picardie Jules Verne, Amiens, France), Luca Sbordone (ZAH, Max-Planck Institut für Astrophysik, Garching, Allemagne, et GEPI), Lorenzo Monaco (ESO, Chile), Monique Spite (GEPI), François Spite (GEPI), Hans-G. Ludwig (ZAH et GEPI), Roger Cayrel (GEPI), Simone Zaggia (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italie), François Hammer (GEPI), Sofia Randich (INAF, Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florence, Italie), Paolo Molaro (INAF, Osservatorio Astronomico di Trieste, Italie), et Vanessa Hill (Université de Nice-Sophia Antipolis, Observatoire de la Côte d'Azur, CNRS, Laboratoire Cassiopée, Nice, France)."


Contacts :
Contacts chercheurs
Piercarlo Bonifacio
Directeur de recherche CNRS
Observatoire de Paris
+33 (0)1 45 07 79 98
+33 (0)1 40 47 80 31
+33 (0)6 45 38 05 09
piercarlo.bonifacio@obspm.fr

Elisabetta Caffau
Chercheur associé
Universität Heidelberg
Observatoire de Paris
+49 6221 54 1787
+33 (0)1 45 07 78 73
elisabetta.caffau@obspm.fr

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+33 (0)6 24 70 70 53
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Taïna Cluzeau
Médiatrice scientifique
Observatoire de Paris
+33 (0)1 40 51 23 97
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