Des astronomes « surpris » par la cause de la forme emblématique de la nébuleuse de l’anneau austral

Les volutes et les courbes complexes de la nébuleuse de l’anneau austral – récemment rendue célèbre par sa place parmi les premiers objets imagés par le JWST – sont le produit d’au moins quatre étoiles, selon de nouvelles recherches.

La nébuleuse de l’anneau austral vue à travers la NIRCam (à gauche) et la MIRI (à droite) du JWST. (NASA, ESA, CSA, et STScI)

En étudiant les images du nouveau télescope spatial, une équipe internationale d’astronomes a découvert des étoiles inconnues jusqu’alors dans le nuage de gaz et de plasma incandescent.

La présence de ces étoiles explique les structures qui continuent d’être sculptées au fur et à mesure de l’expansion de la nébuleuse, produit de la mort violente de l’étoile unique située au centre de la nébuleuse.

“Nous avons été surpris de trouver des preuves de la présence de deux ou trois étoiles compagnes qui ont probablement accéléré sa mort, ainsi que d’une autre étoile ‘spectatrice innocente’ qui a été prise dans l’interaction”, explique l’astrophysicienne Orsola De Marco, de l’université Macquarie en Australie, qui a dirigé les recherches.

Les nébuleuses planétaires comme la nébuleuse de l’anneau austral se forment à la suite de la mort d’une étoile comme le Soleil. Lorsque l’étoile commence à manquer du combustible nécessaire à la fusion nucléaire dans son noyau, elle devient des centaines de fois plus grosse et s’étend vers l’extérieur pour devenir une géante rouge.

Finalement, le combustible est épuisé et la matière extérieure de l’étoile est éjectée dans l’espace tandis que le cœur s’effondre en une naine blanche. La matière éjectée continue de s’étendre vers l’extérieur et, ionisée par le rayonnement de la naine blanche (qui continuera de briller grâce à sa chaleur résiduelle pendant potentiellement des trillions d’années), brille par fluorescence.

C’est la nébuleuse planétaire, ainsi nommée parce que, sans interférence d’autres objets, elle a tendance à être assez sphérique, ressemblant à une planète.

La NIRCam du JWST capture les détails qui brillent dans le proche infrarouge. (NASA, ESA, CSA et STScI)

Mais si quelque chose d’autre se trouve à proximité de l’étoile – et c’est souvent le cas, car de nombreuses étoiles font partie de systèmes multi-étoiles gravitationnellement liés – de magnifiques structures peuvent se former dans la nébuleuse au cours de son voyage dans l’espace.

La nébuleuse de l’anneau austral, officiellement nommée NGC 3132 et située à quelque 2 460 années-lumière, est le linceul d’une étoile dont on estime qu’elle avait trois fois la masse du Soleil à l’âge adulte. Aujourd’hui, cette étoile n’est plus qu’une petite naine blanche dense, dont la masse équivaut à la moitié de celle du Soleil et qui forme une sphère de la taille de la Terre.

Elle est également entourée d’un nuage de poussière froide qui la rend difficile à voir. L’image du JWST publiée en juillet est la plus claire jamais obtenue. Les longueurs d’onde de la lumière infrarouge et proche infrarouge dans lesquelles le JWST observe l’Univers peuvent pénétrer la poussière plus efficacement que les autres longueurs d’onde.

Mais il y avait beaucoup plus à découvrir dans l’image.

“Lorsque nous avons vu les images pour la première fois, nous savions que nous devions faire quelque chose, nous devions enquêter !” raconte De Marco. “La communauté s’est réunie, et à partir de cette seule image d’une nébuleuse choisie au hasard, nous avons pu discerner des structures beaucoup plus précises que jamais auparavant.”

Il y a une deuxième étoile près du centre de la nébuleuse. Elle aussi était déjà connue, un compagnon binaire de la naine blanche. Cette étoile est à un stade plus précoce de sa vie et se trouve encore sur la séquence principale, n’ayant pas encore commencé la série de transformations qui marquent la fin de ses jours.

Les structures en spirale créant des arcs autour du centre de la nébuleuse sont le produit de la danse orbitale de ces deux étoiles – la naine blanche morte et son compagnon vivant. Mais lorsque les chercheurs ont effectué une reconstruction tridimensionnelle de la nébuleuse, ils ont découvert des paires de structures qui se forment lorsque des objets tels que des étoiles et des trous noirs crachent des jets de plasma depuis leurs pôles.

L’instrument MIRI voit des longueurs d’onde de lumière qui se situent dans le domaine de l’infrarouge moyen. (NASA, ESA, ASC et STScI)

Cela suggère que d’autres étoiles sont présentes dans une valse stellaire alambiquée.

“Nous avons d’abord déduit la présence d’un compagnon proche en raison du disque poussiéreux autour de l’étoile centrale, du partenaire plus éloigné qui a créé les arcs, et du compagnon super éloigné que vous pouvez voir sur l’image”, explique De Marco.

“Une fois que nous avons vu les jets, nous savions qu’il devait y avoir une autre étoile ou même deux impliquées au centre, donc nous pensons qu’il y a un ou deux compagnons très proches, un autre à distance moyenne et un autre très lointain. Si c’est le cas, il y a quatre ou même cinq objets impliqués dans cette mort désordonnée”.

Les nouvelles images ont également permis aux chercheurs d’effectuer un nouveau calcul de la température de la naine blanche. Elle brûle à environ 110 000 Kelvin (environ 109 700 degrés Celsius).

Les nébuleuses planétaires sont des phénomènes relativement éphémères, dont la fluorescence ne dure qu’environ 10 000 ans avant de se dissiper dans l’espace interstellaire. Dans un sens, nous avons donc beaucoup de chance d’avoir pu observer cette étape du cycle de vie de la nébuleuse annulaire australe. Les résultats de l’équipe sont également importants pour étudier cette période de la vie d’une naine blanche et les interactions qui peuvent se produire.

Et, fait intéressant, la découverte de plusieurs nouvelles étoiles gravitationnellement liées entre elles a des implications pour l’astronomie des ondes gravitationnelles. Les naines blanches se situent sur un continuum d’objets denses ; elles ont la masse et la densité les plus faibles, suivies des étoiles à neutrons et des trous noirs.

Il est possible que des systèmes “désordonnés” comme la nébuleuse de l’anneau austral résultent, à l’avenir, de multiples collisions successives entre des étoiles mortes, donnant naissance à des objets dont la masse est impossible à former à partir d’une seule étoile.

Les chercheurs ont déclaré que l’étude d’un plus grand nombre de ces objets avec le JWST pourrait nous aider à mieux comprendre comment ils se forment et éclairer les observations futures.

Les recherches ont été publiées dans Nature Astronomy.

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Source : Science Alert – Traduit par Anguille sous roche