Cette vue d'artiste illustre une paire binaire d'étoiles géantes. Bien qu'elles soient issues du même nuage moléculaire, les astronomes détectent souvent des différences dans la composition chimique et les systèmes planétaires des étoiles binaires. Une étoile de ce système abrite trois petites planètes rocheuses, tandis que l'autre étoile abrite deux géantes gazeuses. Grâce au télescope GHOST de Gemini South, une équipe d'astronomes a confirmé pour la première fois que ces différences peuvent être attribuées à des inhomogénéités dans le nuage moléculaire primordial d'où sont nées les étoiles. Crédit : NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva (Spaceengine)/M. Zamani
Les astronomes ont vérifié que les variations dans la composition chimique des étoiles binaires proviennent des phases initiales de leur formation.
Des recherches récentes utilisant le télescope Gemini Sud ont montré que les différences dans les compositions chimiques des étoiles binaires sont dues aux conditions primordiales de leurs nuages de naissance, remettant en question les théories précédentes et suggérant un processus plus complexe de formation des étoiles et des planètes.
On estime que jusqu'à 85 % des étoiles existent dans des systèmes binaires, et certaines dans des systèmes contenant même trois étoiles ou plus. Ces paires d'étoiles naissent ensemble à partir du même nuage moléculaire, partageant une abondance de composants chimiques. Les astronomes s'attendraient donc à ce qu'elles aient des compositions et des systèmes planétaires presque identiques. Cependant, ce n'est pas toujours le cas. Alors que certaines explications suggèrent que ces différences proviennent d'événements survenus après l'évolution des étoiles, une équipe d'astronomes a confirmé pour la première fois que ces différences peuvent en fait apparaître avant même que les étoiles ne commencent à se former.
Dirigée par Carlos Saffe de l'Institut des sciences astronomiques, de la Terre et de l'espace (ICATE-CONICET) en Argentine, l'équipe a utilisé le télescope Gemini Sud au Chili, la moitié de l'Observatoire international Gemini, financé en partie par la National Science Foundation des États-Unis et exploité par la NSF. NOIRLab. Avec le nouveau spectromètre optique haute résolution Gemini (GHOST), l'équipe a étudié les différentes longueurs d'onde de la lumière, ou spectres, émises par une paire d'étoiles géantes, ce qui a révélé des différences significatives dans leur composition chimique. « Les spectres de très haute qualité de GHOST ont offert une résolution sans précédent », a déclaré Saffe, « nous permettant de mesurer les paramètres stellaires et les abondances chimiques des étoiles avec la plus grande précision possible. » Ces mesures ont révélé qu'une étoile avait une plus grande abondance d'éléments lourds que l'autre. Pour démêler l'origine de cette différence, l'équipe a utilisé une approche unique.
Exploration des théories sur les variations de composition
Des études antérieures ont proposé trois explications possibles aux différences chimiques observées entre les étoiles binaires. Deux d'entre elles impliquent des processus qui se produiraient bien avant dans l'évolution des étoiles : la diffusion atomique, ou la sédimentation d'éléments chimiques dans des couches de gradient dépendant de la température et de la gravité de surface de chaque étoile ; et l'engloutissement d'une petite planète rocheuse, qui introduirait des variations chimiques dans la composition d'une étoile.
La troisième explication possible remonte au début de la formation des étoiles, suggérant que les différences proviennent de zones primordiales ou préexistantes de non-uniformité au sein du nuage moléculaire. En termes plus simples, si le nuage moléculaire présente une distribution inégale d'éléments chimiques, alors les étoiles nées dans ce nuage auront des compositions différentes selon les éléments disponibles à l'endroit où chacun d'eux s'est formé.
Jusqu'à présent, les études ont conclu que les trois explications étaient probables. Cependant, ces études se sont concentrées uniquement sur les étoiles binaires de la séquence principale. La « séquence principale » est la phase pendant laquelle une étoile passe la majeure partie de son existence, et la majorité des étoiles de l'Univers sont des étoiles de la séquence principale, y compris notre Soleil. Au lieu de cela, Saffe et son équipe ont observé une étoile binaire composée de deux étoiles géantes. Ces étoiles possèdent des couches externes extrêmement profondes et fortement turbulentes, ou zones convectives. Grâce aux propriétés de ces épaisses zones convectives, l'équipe a pu exclure deux des trois explications possibles.
Zones convectives et théories éliminatoires
Le tourbillonnement continu du fluide dans la zone convective rendrait difficile la sédimentation de la matière en couches, ce qui signifie que les étoiles géantes sont moins sensibles aux effets de la diffusion atomique, ce qui exclut la première explication. L'épaisse couche externe signifie également qu'un engloutissement planétaire ne modifierait pas beaucoup la composition d'une étoile puisque la matière ingérée serait rapidement diluée, ce qui exclut la deuxième explication. Cela laisse les inhomogénéités primordiales au sein du nuage moléculaire comme explication confirmée. « C'est la première fois que les astronomes ont pu confirmer que les différences entre les étoiles binaires commencent aux premiers stades de leur formation », a déclaré Saffe.
« Grâce aux capacités de mesure de précision de l’instrument GHOST, Gemini South recueille désormais des observations d’étoiles en fin de vie pour révéler l’environnement dans lequel elles sont nées », explique Martin Still, directeur du programme NSF pour l’observatoire international Gemini. « Cela nous permet d’explorer comment les conditions dans lesquelles les étoiles se forment peuvent influencer toute leur existence sur des millions ou des milliards d’années. »
Trois conséquences de cette étude sont particulièrement importantes. Tout d’abord, ces résultats offrent une explication de la raison pour laquelle les astronomes voient des étoiles binaires avec des systèmes planétaires si différents. « Différents systèmes planétaires pourraient signifier des planètes très différentes – des planètes rocheuses, semblables à la Terre, des géantes de glace, des géantes gazeuses – qui orbitent autour de leurs étoiles hôtes à des distances différentes et où le potentiel de soutien à la vie pourrait être très différent », a déclaré Saffe.
Deuxièmement, ces résultats posent un défi crucial au concept de marquage chimique — qui utilise la composition chimique pour identifier les étoiles qui proviennent du même environnement ou de la même pépinière stellaire — en montrant que des étoiles ayant des compositions chimiques différentes peuvent toujours avoir la même origine.
Enfin, les différences observées, attribuées auparavant à des impacts planétaires sur la surface d’une étoile, devront être réexaminées, car elles pourraient désormais être considérées comme étant présentes depuis le tout début de la vie de l’étoile.
« En montrant pour la première fois que des différences primordiales existent réellement et sont responsables des différences entre étoiles jumelles, nous démontrons que la formation des étoiles et des planètes pourrait être plus complexe qu’on ne le pensait au départ », a déclaré Saffe. « L’Univers aime la diversité ! »
