video: Professor Leen Decin (KU Leuven) discusses how her team discovered an explanation for the mesmerising shapes of planetary nebulae. Their discovery is based on an extraordinary set of observations of stellar winds around ageing stars. The team found that stellar winds have a shape similar to that of planetary nebulae and concluded that interaction with an accompanying star or exoplanet shapes both the stellar winds and planetary nebulae. view more
Credit: KU Leuven
Lorsque leur carburant nucléaire s'épuise, les étoiles comme le Soleil grossissent considérablement et se refroidissent pour devenir des géantes rouges. Elles produisent alors des flots de particules, le vent stellaire, qui leur fait perdre une partie importante de leur masse. En l'absence d'observations suffisamment détaillées, les astronomes considéraient que ce vent stellaire était sphérique, comme les étoiles elles-mêmes. Lorsque l'étoile a perdu la majorité de sa matière, son cur encore brulant est mis à nu, et la matière éjectée par l'étoile commence alors à briller formant une nébuleuse planétaire.
L'extraordinaire variété de formes et de couleurs des nébuleuses planétaires a toujours intrigué les astronomes. Elles semblent toutes avoir une certaine symétrie, mais ne sont presque jamais rondes. "Le Soleil - qui deviendra une géante rouge - est aussi rond qu'une boule de billard, et nous nous sommes donc demandé comment de telles étoiles pouvaient produire toutes ces formes différentes", explique la professeure Leen Decin de l'université KU Leuven (Belgique), auteure principale de l'article.
Son équipe a observé les vents stellaires d'un échantillon d'étoiles géantes rouges avec l'observatoire ALMA au Chili, le plus grand radiotélescope du monde. Pour la toute première fois, ils ont rassemblé une vaste collection d'observations détaillées, chacune d'entre elles ayant été réalisée en utilisant exactement la même méthode. Cela a été essentiel pour pouvoir comparer directement les données et exclure les biais. Et les résultats sont surprenants. "Nous avons remarqué que ces vents sont tout sauf symétriques ou ronds", dit Leen Decin. "Certains d'entre eux sont en fait assez similaires en forme aux nébuleuses planétaires".
Compagnons
Les astronomes ont même pu identifier différentes catégories de formes. "Certains vents stellaires étaient en forme de disque, d'autres contenaient des spirales et dans un troisième groupe, nous avons identifié des cônes." C'était une indication claire que les formes n'étaient pas créées au hasard. L'équipe a réalisé que d'autres étoiles de faible masse ou même des planètes massives orbitant à proximité de l'étoile en fin de vie étaient à l'origine des différentes formes. Ces compagnons sont trop petits et trop faibles pour être détectés directement. "Tout comme une cuillère mélangeant du café avec un peu de lait dans une tasse peut créer un motif en spirale, le compagnon aspire la matière vers lui alors qu'elle tourne autour de l'étoile et façonne le vent stellaire", explique Leen Decin.
L'équipe a transposé cette théorie dans des modèles, et en effet : la forme des vents stellaires peut être expliquée par les compagnons qui les entourent, et le taux d'éjection de matière par l'étoile est un paramètre important. Leen Decin conclut : "Toutes nos observations s'expliquent par le fait que les étoiles ont un compagnon".
Jusqu'à présent, les calculs sur l'évolution des étoiles étaient basés sur l'hypothèse qu'en fin de vie, les étoiles semblables au Soleil, avaient des vents stellaires sphériques. "Nos conclusions changent ce paradigme. Comme la complexité des vents stellaires n'était pas prise en compte, toute estimation antérieure du taux de perte de masse des étoiles évoluées pouvait être fausse d'un facteur allant jusqu'à 10". L'équipe mène actuellement des recherches supplémentaires pour voir comment cela pourrait avoir un impact sur les calculs d'autres caractéristiques cruciales de l'évolution stellaire et galactique.
L'avenir du Soleil
L'étude nous aide également à imaginer à quoi pourrait ressembler le Soleil lorsqu'il mourra dans 7000 millions d'années. "Jupiter ou même Saturne - de par leurs grandes masses - vont influencer le fait que le Soleil passe ses derniers millénaires au cur d'une spirale, d'un papillon ou de l'une des autres formes envoûtantes que nous observons pour les nébuleuses planétaires aujourd'hui", note Leen Decin. "Nos calculs indiquent maintenant qu'une spirale peu brillante va se former dans le vent stellaire du soleil quand celui-ci mourra".
"Nous étions très enthousiastes lorsque nous avons analysé les premières images", déclare le co-auteur Miguel Montargès (KU Leuven). "Chaque étoile, qui n'était qu'un numéro auparavant, est devenue un individu à part entière. Maintenant, pour nous, elles ont leur propre identité. C'est la magie des observations à haute résolution angulaire : les étoiles ne sont plus seulement des points".
"La grande majorité des étoiles possède au moins un compagnon stellaire ou planétaire. Nos observations avec ALMA montrent que lorsqu'une étoile termine son existence, ses compagnons sculptent la matière qu'elle disperse dans l'espace, créant ainsi une nébuleuse planétaire à la géométrie extraordinaire." précise Pierre Kervella (Observatoire de Paris).
Cette étude fait partie du projet ATOMIUM, qui vise à en apprendre davantage sur la physique et la chimie des étoiles en fin de vie. "Les étoiles évoluées sont considérées comme ennuyeuses, vieilles et simples, mais nous avons démontré qu'elles ne le sont pas : elles racontent le récit de notre futur. Il nous a fallu un certain temps pour réaliser que les vents stellaires peuvent avoir la forme de pétales de rose (voir, par exemple, le vent stellaire de R Aquilae), mais, comme l'a dit Antoine de Saint-Exupéry dans son livre Le Petit Prince : "C'est le temps que tu as perdu pour ta rose, qui fait ta rose si importante" conclut Decin.
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