Les étoiles grossissent

Une étoile de 300 masses solaires dévoilée

The young cluster RMC 136a - Image eso1030a - credit: ESO/P. Crowther/C.J. Evans

En utilisant une combinaison d’instruments du VLT de l’ESO, une équipe d’astronomes a découvert l’étoile la plus massive connue à ce jour avec une masse à la naissance supérieure à 300 fois la masse de notre Soleil, soit deux fois les 150 masses solaires considérées actuellement comme la masse maximale pour une étoile. L’existence de ces monstres – des millions de fois plus lumineux que le Soleil, perdant de la masse en émettant des vents très puissants – pourrait apporter une réponse à la question suivante : « quelle masse maximale les étoiles peuvent-elles atteindre ? »

Une équipe d’astronomes dirigée par Paul Crowther, Professeur d’astrophysique à l’Université de Sheffield, a utilisé le VLT (Very Large Telescope) de l’ESO ainsi que des données d’archives du télescope spatial Hubble (ESA/NASA), pour étudier en détail deux jeunes amas d’étoiles, NGC 3603 et RMC 136a. NGC 3603 est une usine cosmique où les étoiles se forment en quantité dans le nuage étendu de gaz et de poussière de la nébuleuse, situé à 22 000 années-lumière du Soleil (eso1005). RMC 136a (plus souvent connu sous le nom de R136) est un autre amas de jeunes étoiles massives et chaudes, situé à l’intérieur de la nébuleuse de la Tarentule, dans une de nos galaxies voisines, le Grand Nuage de Magellan, à 165 000 années-lumière du Soleil (eso0613).

Cette équipe a trouvé plusieurs étoiles ayant des températures de surface supérieures à 40 000 degrés, soit plus de sept fois plus chaudes, quelques dizaines de fois plus grandes et plusieurs millions de fois plus brillantes que notre Soleil. Les comparaisons avec les modèles impliquent que plusieurs de ces étoiles sont nées avec des masses de plus de 150 masses solaires. L’étoile R136a1, trouvée dans l’amas R136, est l’étoile la plus massive jamais observée avec une masse actuelle d’environ 265 masses solaires et avec une masse à la naissance atteignant 320 fois la masse du Soleil.

Dans NGC 3603, les astronomes ont également pu mesurer directement les masses de deux étoiles qui appartiennent à un système d’étoile double [1], ce qui a permis de valider les modèles utilisés. Les masses de naissance estimées des étoiles de types A1, B et C de cet amas sont au dessus ou proches de 150 masses solaires.

Les étoiles très massives produisent des vents très puissants. « Contrairement aux humains ces étoilent naissent « grosses » et perdent du poids en vieillissant » dit Paul Crowther. « Etant âgée d’un peu plus d’un million d’années, l’étoile la plus extrême, R136a1, est déjà à la moitié de sa vie et a déjà subi un intense régime amaigrissant, perdant un cinquième de sa masse initiale pendant cette période, ce qui correspond à plus de cinquante masses solaires. »

Si R136a1 remplaçait le Soleil dans notre système solaire, son rayonnement par rapport à celui du Soleil serait autant de fois plus lumineux que le rayonnement actuel du Soleil l’est par rapport à celui de la pleine Lune. « Sa grande masse réduirait la durée de l’année terrestre à trois semaines et elle arroserait la Terre de rayonnements ultraviolet incroyablement intenses, rendant la vie impossible sur notre planète, » dit Raphael Hirschi de la Keele University, un des membres de l’équipe.

Ces étoiles « super-poids-lourds » sont extrêmement rares, se formant uniquement dans les amas d’étoiles les plus denses. Distinguer les étoiles de manière individuelle – ce qui vient d’être fait pour la première fois – requiert l’extrême pouvoir de résolution des instruments infrarouge du VLT [2].

Cette équipe a également estimé la masse maximum que les étoiles de ces amas peuvent atteindre ainsi que le nombre relatif des plus massives. « La masse des plus petites étoiles ne peut être inférieure à plus de quatre-vingts fois celle de Jupiter, en dessous ce sont des « étoiles ratées » ou «naines brunes » précise un autre membre de l’équipe, Olivier Schnurr de l’Astrophysikalisches Institut Potsdam. « Notre découverte confirme la vision antérieure indiquant qu’il y a aussi une limite supérieure à la grosseur des étoiles, toutefois cette limite augmente d’un facteur deux pour atteindre maintenant les 300 masses solaires. »

Il y a seulement quatre étoiles dans R136 qui avaient une masse supérieure à 150 masses solaires à leur naissance, mais elles totalisent près de la moitié du vent et du pouvoir radiatif de l’amas dans son ensemble, comprenant approximativement 100 000 étoiles au total. R136a1 à elle seule injecte cinquante fois plus d’énergie dans son environnement que l’amas de la nébuleuse d’Orion, la région de formation d’étoiles massives la plus proche de la Terre.

Comprendre comment les étoiles de grande masse se forment est assez compliqué, du fait de leur courte durée de vie et de leurs vents puissants, l’identification de ce genre de cas extrêmes, tel que R136a1, ne fait que repousser encore plus loin le défi pour les théoriciens. « Soit elles sont nées aussi grosses soit des étoiles plus petites ont fusionné pour produire ces cas extrêmes, » explique Paul Crowther.

Les étoiles ayant une masse entre 8 et 150 masses solaires explosent en supernovae à la fin de leur courte vie, laissant derrière elles des restes exotiques qui sont soit des étoiles à neutron soit des trous noirs. L’existence d’étoiles de masses comprises entre 150 et 300 masses solaires étant maintenant établie, les découvertes de cette équipe augmentent la perspective de l’existence de « supernovae d’instabilité de paire» exceptionnellement brillantes qui se volatilisent complètement en explosant, ne laissant derrière elles aucun reste et dispersant jusqu’à dix masses solaires de fer dans leur environnement. Quelques candidates à de telles explosions ont déjà été proposées ces dernières années.

R136a1 est non seulement l’étoile la plus massive jamais observée, mais elle a également la plus grande luminosité, proche de 10 millions de fois celle du Soleil. « En raison de la rareté de ces monstres, je pense qu’il est peu probable que ce nouveau record soit battu prochainement, » conclut Paul Crowther.

Notes

[1]L’étoile A1 dans NGC 3603 est une étoile double avec une période orbitale de 3,77 jours. Les deux étoiles de ce système font respectivement 120 et 92 masses solaires, ce qui signifie qu’elles sont nées avec des masses respectives de 148 et 106 masses solaires.

[2]Cette équipe a utilisé les instruments SINFONI, ISAAC et MAD, tous installés au VLT de l’ESO à Paranal au Chili.

Plus d’informations

Ce travail est présenté dans un article publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (“The R136 star cluster hosts several stars whose individual masses greatly exceed the accepted 150 M_sun stellar mass limit”, by P. Crowther et al.).

L’équipe est composée de Paul A. Crowther, Richard J. Parker et Simon P. Goodwin (University of Sheffield, Royaume Uni), Olivier Schnurr (University of Sheffield and Astrophysikalisches Institut Potsdam, Allemagne), Raphael Hirschi (Keele University, Royaume Uni) et Norhasliza Yusof et Hasan Abu Kassim (University of Malaya, Malaisie).

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