Pour les humains, le risque de donner naissance à des bébés multiples est inférieur à 2 %. La situation est différente avec les étoiles, notamment avec les étoiles particulièrement lourdes. Les astronomes observent des étoiles plusieurs fois plus lourdes que le soleil dans plus de 80 % des cas dans des systèmes doubles ou multiples. La question clé est de savoir si elles sont également nées en tant que multiples, ou si les étoiles naissent seules et se rapprochent au fil du temps.
Les naissances multiples sont depuis longtemps la norme pour les étoiles massives. Du moins sur ordinateur, car dans les simulations théoriques, d’énormes nuages de gaz et de poussière ont tendance à s’effondrer et à former de multiples systèmes d’étoiles massives. Ces simulations décrivent un processus hiérarchique dans lequel de plus grandes portions de nuages se contractent pour former des noyaux plus denses, et où des régions plus petites au sein de ces « noyaux parents » s’effondrent pour former des étoiles séparées : des étoiles massives, mais aussi de nombreuses étoiles moins massives.
Et les astronomes découvrent effectivement une multitude de systèmes stellaires multiples entièrement formés, en particulier des étoiles qui pèsent plusieurs fois plus que le soleil. Cependant, cela ne prouve pas encore que plusieurs systèmes comportant des étoiles massives se forment déjà dans le nuage primordial, comme le prédisent les simulations.
ALMA observe un amas d’étoiles massif
Des observations systématiques réalisées avec le radio-observatoire ALMA, un réseau de radiotélescopes sensibles capables d’observer le gaz moléculaire froid à partir duquel les étoiles se forment à très haute résolution, ont montré pour la première fois que les simulations informatiques sont correctes. Les images du télescope ALMA montrent qu’un seul nuage moléculaire ne donne pas seulement naissance à des systèmes stellaires binaires. Ils observent les débuts d’une multitude de systèmes multiples différents. Notre soleil s’est probablement également formé dans un tel mélange.
Il est très difficile d’observer les régions de formation d’étoiles avec suffisamment de détails. Jusqu’alors, les observations n’avaient pu montrer que quelques candidats à la formation de multiples isolés dans des amas d’étoiles massifs, mais rien de comparable à la multitude de multiples prédits par les simulations.
Afin de confirmer ou d’infirmer les modèles actuels de formation d’étoiles massives, il était clair que des observations plus détaillées étaient nécessaires. Cela est devenu possible lorsque l’observatoire ALMA au Chili est devenu opérationnel. Dans sa forme actuelle, ALMA combine jusqu’à 66 antennes radio pour agir comme un seul radiotélescope gigantesque, permettant des observations radio qui montrent des détails extrêmement petits.
Dirigé par Patricio Sanhueza de l’Observatoire national japonais NAOJ et de la Graduate University for Advanced Studies de Tokyo, et comprenant plusieurs chercheurs de l’Institut Max Planck d’astronomie de Heidelberg, un groupe d’astronomes a entrepris d’observer 30 régions prometteuses de formation d’étoiles massives avec ALMA entre 2016 et 2019.
L’analyse des données s’est avérée un défi considérable et a pris plusieurs années. Chaque observation distincte produit environ 800 Go de données, et la reconstruction d’images à partir des contributions de toutes les différentes antennes est un processus complexe.
Le résultat qui vient d’être publié est basé sur l’analyse de l’une des régions de formation d’étoiles, qui porte le numéro de catalogue G333.23-0.06. L’analyse a été dirigée par Shanghuo Li, de la MPIA, qui est également l’auteur principal de l’article qui en a résulté et qui a maintenant été publié. publié dans Astronomie naturelle. Il est intitulé « Observations d’une multiplicité d’ordre élevé dans un protocole stellaire de masse élevée ».
Les images reconstruites qui en résultent sont remarquables : elles montrent des détails jusqu’à environ deux cents unités astronomiques (200 fois la distance Terre-Soleil) pour une vaste région d’environ 200 000 unités astronomiques de diamètre.
Comment se forment les étoiles
Les résultats constituent une excellente nouvelle pour l’image actuelle de la formation d’étoiles massives. Dans G333.23-0.06, Li et ses collègues ont trouvé quatre proto-étoiles binaires, un triple, un quadruple et un quintuple, ce qui correspond aux attentes. En fait, les observations des environnements renforcent un scénario particulier de formation d’étoiles de grande masse. Ils fournissent des preuves de la formation hiérarchique d’étoiles, où le nuage de gaz se fragmente d’abord en « noyaux » de densité de gaz accrue, et où chaque noyau se fragmente ensuite en un système de proto-étoiles multiples.
Henrik Beuther, qui dirige le groupe Formation d’étoiles au sein du département Planètes et formation d’étoiles de l’Institut Max Planck d’astronomie, déclare : « Enfin, nous avons pu examiner en détail le riche éventail de systèmes stellaires multiples dans une formation d’étoiles massive. » Ce qui est particulièrement intéressant, c’est que les observations vont jusqu’à fournir la preuve d’un scénario spécifique de formation d’étoiles de masse élevée. «
Shanghuo Li, astronome à l’Institut Max Planck d’astronomie et auteur principal de la publication actuelle, ajoute : « Nos observations semblent indiquer que lorsque le nuage s’effondre, les multiples se forment très tôt. Mais est-ce vraiment le cas ? Les régions de formation d’étoiles, dont certaines sont plus jeunes que G333.23-0.06, devraient nous donner la réponse. »
Plus précisément, les astronomes travaillent actuellement sur une analyse similaire pour les 29 régions supplémentaires de formation d’étoiles massives qu’ils ont observées – qui seront bientôt rejointes par 20 autres, avec de nouvelles observations ALMA dirigées par Li. Cela devrait permettre d’obtenir des statistiques plus approfondies sur les propriétés de ces régions et de mieux comprendre l’évolution des multiples. Mais même avec les résultats actuels, le rôle des multiples dans la formation des étoiles massives est désormais fermement ancré dans l’observation.
D’énormes explosions et le tremblement de l’espace-temps
Les étoiles massives avec plus de huit fois la masse du soleil, qui forment plusieurs systèmes stellaires, intéressent particulièrement les astronomes : les étoiles les plus massives brillent beaucoup plus fort que notre soleil et gaspillent leur approvisionnement en énergie. Elles meurent jusqu’à mille fois plus tôt que les étoiles de masse inférieure comme notre Soleil.
Si le système stellaire reste lié après la mort des étoiles suite à des explosions de supernova, les étoiles à neutrons et les trous noirs restent en orbite les uns avec les autres. Lorsque les trous noirs fusionnent, ils émettent des ondes gravitationnelles, que les détecteurs mesurent depuis quelques années. Les collisions d’étoiles à neutrons sont également particulièrement passionnantes. Les éléments les plus lourds que nous connaissons, comme l’or, sont manifestement formés dans de telles kilonovae.
Plus d’information:
Shanghuo Li et al, Observations de multiplicité d’ordre élevé dans un protocluster stellaire de masse élevée, Astronomie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41550-023-02181-9