En utilisant le télescope spatial Hubble, les chercheurs ont mené une étude pionnière de trois ans sur l’amas massif et dense de jeunes étoiles Westerlund 2. Ce faisant, ils ont découvert que des nuages denses de poussière relativement froide sont curieusement absents des matériaux entourant les étoiles au cœur de l’amas.
Comme ces nuages denses sont les graines des planètes qui se forment au cours de millions d’années, la formation des planètes est donc retardée dans ces régions. Les astronomes pensent que cette pénurie de disques de poussière et de gaz denses est le résultat de l’érosion et de la dispersion des étoiles les plus massives et les plus puissantes de l’amas autour de leurs petites étoiles voisines.
L’étude, publiée dans La revue d’astrophysiqueC’est la première fois que les scientifiques étudient les conditions dans les amas d’étoiles denses pour évaluer leur aptitude à la formation de planètes. Il répond également à la question de longue date de savoir pourquoi il n’y a pas de planètes autour des étoiles dans les amas globulaires – les groupes d’étoiles les plus riches et les plus anciens de la Voie lactée.
« La plupart des étoiles de notre Galaxie sont nées dans des régions de formation stellaire modeste, mais dans l’Univers primitif et dans les galaxies en interaction, nous trouvons d’énormes amas de jeunes étoiles, qui abritent des étoiles cent fois plus massives que le Soleil. Ces systèmes sont extrêmement éloignés de nous et ils ressemblent à des points lumineux », déclare l’auteur principal Elena Sabbi, de l’Institut scientifique du télescope spatial (STScI) à Baltimore, aux États-Unis. « Dans la Voie lactée, il n’y a que quelques amas aux caractéristiques similaires et, heureusement pour nous, ils sont suffisamment proches pour qu’en utilisant un télescope aussi puissant que Hubble, nous puissions voir les étoiles individuelles qui forment l’amas.
Ces systèmes rares sont pour nous, mines d’or, l’occasion de tester notre compréhension de la formation des étoiles dans l’univers primitif.
L’équipe a découvert que sur les quelque 5000 étoiles de Westerlund 2, dont la masse varie entre 0,1 et 5 fois celle du Soleil, 1500 présentent des fluctuations spectaculaires de luminosité. On considère généralement que cela est dû à la présence de grandes structures poussiéreuses et de planétésimaux qui bloquent temporairement une partie de la lumière des étoiles, provoquant ainsi des fluctuations de luminosité, alors qu’elles sont en orbite.
Hubble n’a détecté cette signature de poussière révélatrice qu’autour des étoiles situées en dehors de la région centrale. Il n’a pas détecté ces baisses de luminosité dans les étoiles situées à moins de quatre années-lumière du centre.
« Westerlund 2 nous donne de bien meilleures statistiques sur la façon dont la masse affecte l’évolution des étoiles, sur la rapidité de leur évolution, et nous voyons l’évolution des disques stellaires et l’importance de la rétroaction stellaire dans la modification des propriétés de ces systèmes », explique M. Sabbi. « Nous pouvons utiliser toutes ces informations pour informer les modèles de formation des planètes et d’évolution stellaire ».
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Étudier l’évolution des étoiles variables dans le temps
Les études dans le domaine temporel comme celle-ci permettent d’examiner comment la luminosité d’un objet astronomique varie avec le temps en utilisant des images acquises sur une longue période.
« La plupart des étoiles ne montrent pas de changements significatifs pendant des millions ou même des milliards d’années, mais certaines – les étoiles variables – changent de luminosité tous les quelques jours ou mois », dit Sabbi. « Dans certains cas, ces changements réapparaissent avec une cadence régulière, dans d’autres, ils sont complètement inattendus ». M. Sabbi poursuit en expliquant que l’étude de l’évolution de la luminosité d’une étoile au fil du temps donne aux chercheurs un indice sur la cause de ces variations.
De nombreuses études antérieures dans le domaine temporel ont eu pour but d’examiner les propriétés des étoiles au cours de leur première évolution, mais elles ont été limitées à des régions de faible densité beaucoup plus éparses qui sont au milieu de la formation des étoiles.
L’équipe a renversé la tendance en attirant l’attention de la caméra à grand champ 3 du télescope spatial Hubble sur Westerlund 2 – un amas géant d’environ 3000 étoiles, dont certaines sont les étoiles massives les plus chaudes et les plus brillantes que les astronomes connaissent. Cet amas compact de jeunes étoiles situé à 20 000 années-lumière est l’un des rares amas massifs de la Voie lactée.
« Westerlund 2″ est l’un des jeunes clusters les plus massifs de la Voie lactée. Les systèmes comme Westerlund 2 sont très rares dans la Voie lactée, mais sont très courants dans les galaxies en interaction comme les galaxies à antennes ou à fort décalage vers le rouge », ajoute le chercheur du STScI. « La distance de ces galaxies est cependant telle que, même avec Hubble, nous ne pouvons pas étudier en détail le contenu stellaire de leurs amas d’étoiles.
« En ce sens, Westerlund 2 nous offre un aperçu unique de la façon dont les étoiles se forment dans des conditions qui ressemblent à celles que l’on trouvait lorsque l’univers était beaucoup plus jeune. »
Quand il s’agit de la formation des planètes, tout est question de localisation
L’équipe d’astronomes a découvert que la distance par rapport à des étoiles immenses et puissantes est cruciale pour les processus dont dépendent les planètes pour se former. Au centre de cet amas dense, par exemple, les planètes luttent pour se former parce que c’est là que se rassemblent les étoiles les plus massives et les plus brillantes.
Westerlund 2 abrite au moins 37 étoiles extrêmement massives, dont la masse est jusqu’à 100 fois celle du Soleil, l’un des seuls amas de la Voie lactée où l’on peut trouver des étoiles aussi grosses. Le rayonnement ultraviolet qu’elles émettent, combiné à leurs puissants vents stellaires, agit presque comme un chalumeau qui découperait d’éventuels nuages de poussière formant des planètes.
« Ces étoiles évoluent très rapidement et commencent à libérer une énorme quantité d’énergie sous forme de rayonnement UV, tandis que les étoiles plus petites sont toujours entourées de leurs disques circulaires », explique M. Sabbi.
Le rayonnement ultraviolet qu’ils émettent, combiné à leurs puissants vents stellaires, agissent presque comme des chalumeaux qui découpent les nuages de poussière potentiellement planétaires des petites étoiles proches.
« L’énergie libérée par les étoiles massives peut modifier la composition chimique ou même détruire les grains de poussière dans les disques de leurs voisins plus petits, inhibant la formation de futures planètes. »
Mais dans la région extérieure de Westerlund 2, où les étoiles sont plus petites et moins puissantes, l’histoire est très différente. À la périphérie de l’amas dense, l’équipe a découvert que les étoiles étaient entourées de disques de gaz et de poussière qui contiennent des nuages denses formant des planètes, ce qui signifie que les processus de formation de planètes se poursuivent sans relâche dans ces régions.
Sabbi explique ce qui fait de Westerlund 2 le laboratoire idéal pour mener ce genre d’enquête : « Les étoiles d’un amas ont des âges et des compositions chimiques similaires. Westerlund 2 est un amas très riche, il nous a donc offert la possibilité d’étudier simultanément des milliers d’étoiles ayant des caractéristiques similaires.
« Par conséquent, dans Westerlund 2, nous pouvons comparer comment le fait de naître près ou loin d’étoiles massives peut affecter les propriétés et l’évolution d’objets plus petits. »
Le fait que Westerlund 2 se trouve également dans une zone de reproduction stellaire appelée Gum 29, située à environ 14 000 années-lumière dans la constellation de Carina ou The Ship’s Keel, en fait également un sujet d’étude idéal. Il existe un problème assez important à ce sujet, cependant, la pépinière stellaire est difficile à observer car elle est entourée de poussière et partiellement obscurcie.
C’est là que la caméra à grand champ 3 (WFC3) de Hubble entre en jeu.
L’avenir est clair
Sabbia et son équipe se sont tournés vers le télescope spatial Hubble, qui n’est généralement pas utilisé pour des études dans le domaine temporel en raison des dépenses liées à son fonctionnement, pour regarder à travers le nuage de poussière qui obscurcit partiellement Westerlund 2. C’est notamment la résolution impressionnante sur un large champ de vision fournie par le WFC3 sur laquelle les astronomes allaient s’appuyer pour construire leur étude.
« La caméra grand champ 3 est la caméra la plus avancée sur Hubble », me dit Sabbi. « Elle combine une haute résolution spatiale, une large gamme dynamique et une grande sensibilité. Ces caractéristiques nous permettent d’étudier des étoiles 10 fois plus petites que notre Soleil, même au centre d’un amas aussi riche que Westerlund 2 ».
Avec le lancement imminent du télescope spatial James Webb, Westerlund 2 devrait être au centre de l’attention pendant de nombreuses années. « Pour la première fois, nous allons pouvoir étudier avec des détails sans précédent les propriétés des disques circumstellaires autour d’une centaine d’étoiles », dit Sbbi. « Cela nous permettra d’améliorer considérablement nos modèles de formation des étoiles et des planètes.
« Nous serons également en mesure d’étudier la composition chimique de ces disques pour voir quand et combien d’eau et d’autres types de glace ont été formés. Ce sont des ingrédients importants pour le développement de la vie sur une planète ».
Et il est très probable que Sabbi et son équipe aient l’intention d’être au cœur de ces enquêtes de suivi.
« Chaque fois que j’ai le privilège d’étudier une formation stellaire régionale à l’aide de Hubble, je suis étonnée par la richesse des détails que l’on peut voir », s’enthousiasme-t-elle. « Les vents puissants et le rayonnement UV provenant des étoiles massives sculptent ces régions, soufflant le nuage de gaz original à partir duquel les étoiles se sont formées. Ce processus crée des paysages incroyables.
Il y a le plaisir de collecter et de déchiffrer tous les indices pour essayer de répondre à la question de savoir comment les étoiles et les planètes se forment ? C’est une journée de travail formidable.
Cet article a été publié à l’origine sur Le compagnon cosmique par Robert Lea. Vous pouvez lire cette pièce originale ici.
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