Mind the Gap: la mission Gaia révèle les entrailles des étoiles

En utilisant des "Big Data" recueillies par le satellite Gaia et publiées plus tôt cette année, les astronomes ont découvert un hoquet dans les luminosités stellaires qui pourrait indiquer une nouvelle compréhension de la structure stellaire.

Le diagramme de Hertzsprung-Russell, construit à partir de données Gaia sur plus de 4 millions d'étoiles sur 5 000 années-lumière, trace les couleurs des étoiles en fonction de leur luminosité. Une étoile vit le premier de sa vie dans la séquence principale (étiquetée). Les étoiles de masse inférieure terminent leur vie en tant que naines blanches, tandis que les étoiles plus massives évoluent en géants avant de devenir supernova.
Gaia DPAC / Carine Babusiaux (Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, Observatoire de Paris)

Si vous avez déjà pris Astronomy 101, vous vous souviendrez peut-être du diagramme de Hertzsprung-Russell (ou vous pourriez quand même le tatouer sur votre bras). Le diagramme HR, comme on le dit communément, est un magasin stellaire à guichet unique: basé sur la couleur et la luminosité d’une étoile, il révèle sa taille et sa température, son stade d’évolution, sa structure interne et bien plus encore. Ce schéma simple, écrit pour la première fois dans les années 1900, révèle encore plus d'un siècle plus tard des secrets stellaires.

Après la publication du deuxième jeu de données du satellite Gaia, qui comportait des mesures de distance de haute précision pour un nombre incroyable d'étoiles de 1, 7 milliard d'étoiles, les astronomes de la collaboration Gaia ont immédiatement rassemblé plusieurs versions du diagramme HR. La multitude d'étoiles donne une image «Big Data» vive de l'évolution stellaire. Les étoiles passent la majeure partie de leur vie à fusionner de l'hydrogène avec de l'hélium dans la séquence principale avant de vieillir sur les branches géantes rouges, où des étoiles plus massives finissent par exploser, ou la séquence du nain blanc, où des étoiles moins massives s'estompent progressivement dans l'obscurité.

À présent, une équipe d’astronomes dirigée par Wei-Chun Jao (Université d’État de Géorgie) a annoncé la découverte d’une faille étroite mais distinctive dans le diagramme du journal Astrophysical Journal du 1er juillet ( préimpression gratuite disponible ici). L’écart est si net qu’il pourrait ressembler à un artefact instrumental, mais Jao et ses collègues voient le même écart dans les étoiles avec des données infrarouges de 2MASS. C’est donc tout à fait réel. Tandis que la majeure partie de la séquence principale effectue une transition en douceur d’un type d’étoile à l’autre, il existe un petit hoquet dans la transition entre les nains rouges les plus froids et les plus faibles. Connues sous le nom d'étoiles M, il s'agit des étoiles les plus petites et de plus faible luminosité de la séquence principale de fusion à l'hydrogène (les theMe s de Oh Be a Fine Guy / Gal Kiss Me).

Ce graphique effectue un zoom sur le diagramme HR créé avec des données Gaia (où M G représente la luminosité d'une étoile et M BP M RP représente la couleur d'une étoile). L'écart se produit dans une plage de luminosités étroite qui correspond aux étoiles naines rouges avec environ un tiers de la masse du Soleil.
Jao et al. The Astrophysical Journal, 1er juillet 2018

Les étoiles M les plus petites sont uniques en ce sens qu'elles ont un intérieur entièrement convectif, ce qui signifie que tout leur intérieur est constitué d'une masse de plasma bouillante. Les plus grandes étoiles M ressemblent davantage au Soleil, où une enveloppe convective entoure une zone radiative, une zone plus dense où les mouvements d’ébullition sont supprimés. L'énergie voyage plus lentement dans cet intérieur comprimé il peut s'écouler de quelques milliers à quelques millions d'années pour qu'un photon s'échappe de l'intérieur du Soleil.

Les nains M de faible masse sont entièrement convectifs, ce qui signifie que des mouvements d'ébullition mélangent l'intérieur de l'étoile. Au-dessus d'une certaine masse, cependant, le noyau atteint une pression suffisamment élevée pour que les mouvements d'ébullition ne soient plus possibles et les photons sont plutôt transmis plus lentement dans une zone radiative . Les réactions de fusion se produisent plus efficacement dans les noyaux capables de mieux mélanger leurs produits de fusion.
Wikimedia Commons

La transition entre ces deux structures intérieures se produit lorsque les étoiles naines rouges représentent environ un tiers de la masse du Soleil. L’écart que Jao et ses collègues ont constaté se situe exactement à cette masse. La question est, pourquoi? Après tout, la plupart des modèles théoriques de structure stellaire montrent une transition en douceur en d’autres termes, il devrait y avoir autant d’étoiles avec une structure entièrement convective et 0, 34 masses solaires que d’étoiles avec un noyau radiatif et 0, 35 masses solaires .

Peu de temps après la publication de l'étude de Jao s dans le journal astrophysique du 1er juillet, un autre article dirigé par James MacDonald et John Gizis (tous deux de l'Université du Delaware) figurait dans les archives de préimpression d'astronomie. Selon ces auteurs, l'écart est en réalité une caractéristique de la théorie existante. C'est juste que pour le trouver, il faut examiner une plage de masse très étroite. Gaia leur a montré où regarder.

Le fossé, expliquent-ils, vient du fait que la structure interne affecte l'efficacité de la source d'énergie des stars. Les mouvements d'ébullition dans les noyaux d'étoiles plus petites et de masse inférieure aident à mélanger les produits intermédiaires des réactions de fusion, ce qui permet à l'étoile de fusionner l'hydrogène plus efficacement et d'augmenter progressivement sa luminosité. Les naines rouges plus massives sont des réacteurs de fusion moins efficaces et restent relativement constantes en luminosité. Lorsqu'une structure remplace l'autre, la différence crée une pénurie d'étoiles d'une luminosité particulière.

Pourtant, des questions demeurent. L'incroyable détail des données de Gaia montre que très peu d'étoiles apparaissent dans l'écart, pourquoi y en a-t-il? En outre, l'écart semble être plus large pour les étoiles moins polluées par des éléments plus lourds - qu'en est-il de ces étoiles «plus pures» qui affectent leur structure stellaire? Un siècle après que les astronomes ont commencé à comprendre les étoiles de manière systématique, les étoiles continuent de se montrer plus compliquées que nous le savions.