Contrairement aux humains, les étoiles naissent avec tout le poids qu'elles auront. Le poids à la naissance d'un humain varie de quelques livres seulement, mais le poids d'une étoile varie de moins d'un dixième à plus de 100 fois la masse de notre Soleil. Bien que les astronomes sachent que les étoiles viennent dans une variété de masses, elles sont toujours perplexes lorsqu'il s'agit de déterminer si les étoiles ont une limite de poids à la naissance.
Les astronomes ont maintenant franchi une étape importante vers l'établissement d'une limite de poids pour les étoiles. En utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA, les astronomes ont fait la première mesure directe dans notre galaxie de la Voie lactée que les étoiles ont une limite à leur taille. En étudiant l'amas d'étoiles le plus dense connu de notre galaxie, l'amas d'Arches, les astronomes ont déterminé que les étoiles ne sont pas créées à plus de 150 fois la masse de notre Soleil ou 150 masses solaires.
Cette découverte rapproche les astronomes de la compréhension du processus complexe de formation des étoiles et donne la base la plus solide à l'idée que les étoiles ont une limite de poids. Savoir quelle taille une étoile peut former peut offrir des indices importants sur la façon dont l'univers fait des étoiles. Les étoiles massives sont les «moteurs et secoueurs» de l'univers. Ils fabriquent bon nombre des éléments les plus lourds du cosmos, qui sont les éléments constitutifs des nouvelles étoiles et planètes. Des étoiles lourdes peuvent également être à l'origine de sursauts de rayons gamma titanesques, qui inondent une galaxie de rayonnement.
"Il s'agit d'un amas incroyable qui contient une riche collection de certaines des étoiles les plus massives de la galaxie, mais il semble qu'il manque des étoiles plus massives que 150 fois la masse de notre Soleil", a déclaré l'astronome Donald F. Figer de le Space Telescope Science Institute de Baltimore, Md. «Les théories prévoient que plus l'amas est massif, plus les étoiles sont massives. Nous avons examiné l'un des amas les plus massifs de notre galaxie et avons constaté qu'il y avait une coupure nette à la taille d'une étoile.
«Les théories standard prédisent 20 à 30 étoiles dans l'amas d'Arches avec des masses comprises entre 130 et 1 000 masses solaires. Mais nous n'en avons trouvé aucun. S'ils s'étaient formés, nous les aurions vus. Si la prédiction n'était qu'une ou deux étoiles et que nous n'en voyions aucune, alors nous pourrions affirmer que notre résultat pourrait être dû à des erreurs statistiques. »
Figer poursuit des études de suivi pour déterminer une limite supérieure dans d'autres amas d'étoiles afin de tester son résultat. Sa découverte est cohérente avec les études statistiques des amas d'étoiles de plus petite masse dans notre galaxie et avec les observations d'un amas d'étoiles massif connu sous le nom de R136 chez notre voisin galactique, le Grand Nuage de Magellan. Dans cette grappe, les astronomes ont découvert que les étoiles n'ont pas été créées plus de 150 masses solaires.
Les astronomes ne savent pas exactement quelle taille une étoile peut atteindre avant de ne pas pouvoir se maintenir et de se séparer. Même avec les progrès technologiques, les astronomes ne connaissent pas assez les détails du processus de formation des étoiles pour déterminer une limite de masse supérieure pour les étoiles. Par conséquent, les théories ont prédit que les étoiles peuvent être entre 100 à 1 000 fois plus massives que notre Soleil. Il a été plus facile de prévoir une limite de poids inférieure pour les étoiles. Les objets de moins d'un dixième d'une masse solaire ne sont pas assez lourds pour soutenir la fusion nucléaire dans leurs noyaux et briller comme des étoiles.
Faire cette constatation était si délicat que Figer a passé sept ans à s'interroger sur les données Hubble. Les résultats sont publiés dans le numéro du 10 mars de la revue Nature.
"Sachant que des réclamations extraordinaires exigent des preuves extraordinaires, je me suis gratté la tête pendant longtemps en essayant de comprendre pourquoi le résultat pourrait être mauvais", a-t-il déclaré.
Figer a utilisé la caméra infrarouge proche et le spectromètre multi-objets de Hubble pour étudier des centaines d'étoiles allant de 6 à 130 masses solaires. (Bien que Figer n'ait pas trouvé d'étoiles de plus de 130 masses solaires, il a fixé la limite supérieure à 150 masses solaires.) le centre de la galaxie, un foyer de formation d'étoiles massives. Dans cette région agitée, d'énormes nuages de gaz se heurtent pour former des étoiles géantes.
La caméra infrarouge de Hubble est bien adaptée pour analyser les arches car elle pénètre dans le noyau poussiéreux de notre galaxie et produit des images nettes, permettant au télescope de voir des étoiles individuelles dans un amas serré. Figer a estimé les masses des étoiles en mesurant les âges de l'amas et la luminosité des étoiles individuelles. Il a également collaboré avec Francisco Najarro de l'Instituto de Estructura de la Materia à Madrid, qui a produit des modèles détaillés pour confirmer les masses, les abondances chimiques et les âges des étoiles de l'amas.
Un cluster doit répondre à une longue liste d'exigences pour que les astronomes l'utilisent pour identifier une limite de masse supérieure. L'amas doit être suffisamment lourd, environ 10 000 masses solaires, pour produire des étoiles suffisamment grandes pour sonder la limite supérieure. Un cluster ne peut pas non plus être trop jeune ou trop vieux. Sélection d'un cluster plus ancien? au-delà de 2,5 millions d'années? signifie que beaucoup de jeunes étoiles massives ont déjà explosé en supernovas. Dans un très jeune cluster? moins de 2 millions d'années? de nombreuses étoiles sont toujours enveloppées dans leurs nuages de poussière nataux, et les astronomes ne peuvent pas les voir.
Un autre facteur important est la distance d’un amas à la Terre. Les astronomes doivent connaître la distance de l'amas pour estimer de manière fiable la luminosité de ses étoiles, un ingrédient clé utilisé pour estimer la masse d'une étoile. L'amas doit également être suffisamment proche pour voir les étoiles individuelles. Le cluster Arches est le seul cluster de la galaxie qui répond à toutes ces exigences, a déclaré Figer.
Les Arches surpassent presque tous les autres amas d'étoiles de la galaxie. Avec une masse équivalente à plus de 10000 étoiles comme notre Soleil, l'amas de monstres est 10 fois plus lourd que les amas d'étoiles jeunes typiques, comme l'amas d'Orion, dispersés dans notre Voie lactée. Si notre voisinage galactique était aussi encombré d'étoiles, plus de 100 000 étoiles combleraient le vide de l'espace entre notre Soleil et son voisin le plus proche, l'étoile Alpha Centauri, à 4,3 années-lumière. Les astronomes estiment que seulement 1 étoile sur 10 millions dans la galaxie est aussi brillante que les étoiles de l'amas d'Arches. Au moins une douzaine des étoiles de l'amas pèsent environ 100 fois la masse de notre Soleil.
Figer prévient que la limite supérieure n'exclut pas l'existence d'étoiles supérieures à 150 masses solaires. De telles étoiles lourdes, si elles existent, auraient pu prendre du poids en fusionnant avec une autre étoile massive. Par exemple, la jeune étoile Pistol, située près de notre moyeu galactique, est 150 à 250 fois plus massive que notre Soleil. Cette étoile géante semble cependant hors de propos car elle habite dans un quartier d'étoiles plus anciennes. Une façon d'expliquer ce paradoxe apparent, a déclaré Figer, est que le pistolet pourrait être une étoile «née de nouveau», issue de la fusion de deux étoiles. Son explication n'est pas seulement théorique. Les astronomes ont trouvé des étoiles plus anciennes qui sont nées de nouvelles fusions avec d'autres étoiles dans d'anciens amas d'étoiles globulaires.
Le pistolet pourrait également faire partie d'un système à deux étoiles qui se fait passer pour une seule étoile géante. Les deux étoiles n'ont pas été démasquées car elles ne peuvent pas être résolues par le télescope Hubble même.
Les systèmes à double étoile, avertissent également les astronomes, pourraient constituer certaines des étoiles les plus massives de l'amas d'Arches. Cela signifie que la limite supérieure dans les Arches pourrait être inférieure à 150 masses solaires, mais pas supérieure.
La prochaine étape de Figer consiste à identifier plus de clusters pour tester sa limite de poids. Plusieurs télescopes, dont le télescope spatial Spitzer, ont recherché de nouveaux amas d'étoiles dans notre Voie lactée. Au cours des deux dernières années, le nombre d'amas connus dans notre galaxie a doublé, passant de quelques centaines à 500, a déclaré Figer. De nombreux clusters nouvellement trouvés sont compilés dans le catalogue Two Micron All Sky Survey (2MASS). Figer a déjà identifié environ 130 de ces grappes nouvellement découvertes comme candidats potentiels à l'étude. La NASA a reconnu le travail important de Figer en lui décernant un prix d'astrophysique spatiale à long terme de cinq ans, qui soutiendra sa chasse aux étoiles les plus massives de la Voie lactée.
Source d'origine: Communiqué de presse Hubble
