Les stars massives sont des sprinteurs. Il peut sembler contre-intuitif que des étoiles 100 ou 200 fois plus massives que notre Soleil ne puissent survivre que 10 millions d’années. D’autant plus que des étoiles plus petites comme notre Soleil peuvent durer 10 milliards d’années. Les étoiles massives ont d’énormes réservoirs d’hydrogène à traverser, mais leur taille massive signifie que la fusion ronge leur hydrogène beaucoup plus rapidement.
Ces étoiles massives sont destinées à atteindre rapidement la ligne d’arrivée et à exploser en supernovae. Il n’y a pas d’autre conclusion pour eux. Mais avant d’exploser, certains d’entre eux deviennent des stars de Wolf-Rayet. Cette étape ne dure pas longtemps et le télescope spatial James Webb en a attrapé un en flagrant délit.
Les étoiles Wolf-Rayet (WR) présentent de puissants vents stellaires qui ont emporté une grande partie de leur masse, leurs surfaces sont enrichies d’éléments lourds et elles sont beaucoup plus chaudes que la plupart des autres étoiles. Certains d’entre eux ont perdu leur couche d’hydrogène externe et fusionnent de l’hélium et d’autres éléments plus lourds dans leurs noyaux. Les étoiles WR sont rares, et bien qu’il existe différents types et sous-classes, elles ont toutes une chose en commun : ce sont des étoiles en transition.
WR 124 est une étoile Wolf-Rayet bien étudiée à environ 15 000 années-lumière dans la constellation de la Sagitta. L’étoile est visuellement magnifique et est entourée d’une nébuleuse de matière expulsée appelée M1-67. M1-67 mesure environ six années-lumière de diamètre et a environ 20 000 ans.
Le télescope spatial James Webb a imagé WR 124 comme l’une de ses premières images en 2022. La capacité d’observation infrarouge du JWST a révélé plus de détails dans le halo nébulaire de gaz et de poussière qui entoure l’étoile condamnée que les autres télescopes. Les vents stellaires extrêmes de l’étoile sont à l’œuvre, projetant de la matière dans l’espace, créant la nébuleuse de courte durée. La belle nébuleuse est un signe d’avertissement, annonçant l’explosion de WR 124 en supernova dans quelques centaines de milliers d’années.
Mais la disparition du WR 124 marque également un nouveau départ. L’étoile et ses frères massifs sont responsables des éléments lourds de l’Univers. Des éléments comme le carbone, l’oxygène et l’azote sont créés par des étoiles massives comme les étoiles WR 124 et éjectés dans le cosmos lorsqu’ils explosent en supernovae.
WR 124 et sa nébuleuse sont au bord d’un changement rapide et massif – et en termes astronomiques. Tant qu’il vacille, c’est un objet irrésistible pour les astronomes. Les chercheurs l’ont observé au fil des ans avec plusieurs télescopes.
En 2016, un article basé sur les images du télescope spatial Herschel de WR 124 a montré qu’il avait une masse stellaire initiale de 32 masses solaires. Il a également montré que la nébuleuse avait été éjectée lors d’une phase précédente de l’évolution de l’étoile lorsqu’il s’agissait soit d’une supergéante rouge, soit d’une supergéante jaune.
Alors que la nébuleuse des autres étoiles WR est plus uniforme, M1-67 est nouée et agglomérée, probablement à cause des interactions avec le milieu interstellaire. La nébuleuse est à la fois gazeuse et poussiéreuse, avec des amas de matière 30 fois plus massifs que la Terre. Les amas sont si grands qu’ils s’étendraient du Soleil à Saturne s’ils étaient dans notre système solaire. Le gaz dans M1-67 se déplace rapidement et est également extrêmement chaud. Il se déplace à environ 160 000 km/h (100 000 mph). Jusqu’à présent, WR 124 a éjecté environ 10 masses solaires de matière pour créer la nébuleuse.
Un article de 2008 basé sur les observations du Very Large Array (VLA) de WR 124 et de sa nébuleuse a trouvé une paire de cavités dans le gaz entourant l’étoile. L’étoile est située au milieu de l’une des cavités tandis que l’autre est décalée. Comme d’autres cavités autour d’autres étoiles, elles résultent du choc d’étrave créé par le vent stellaire de l’étoile. Bien qu’ils semblent déconnectés, ils ne le sont pas. Au lieu de cela, leur disposition inhabituelle est due à la vitesse rapide du WR 124 dans l’espace, selon l’article.
La quantité massive de poussière provenant de WR 124 est d’un grand intérêt pour les scientifiques. Des étoiles comme WR 124 jouent un rôle dans le bilan de poussière de l’Univers, ce que les chercheurs souhaitent mieux comprendre. Sans poussière, il n’y a pas de planètes comme la Terre et pas de vie. L’un des objectifs scientifiques du JWST est de comprendre plus clairement le bilan de la poussière, et les images du télescope spatial des étoiles Wolf-Rayet font partie de cet effort.
La poussière cosmique n’apporte qu’une infime contribution à la masse baryonique de l’Univers, seulement environ 0,1 %. Mais il joue un rôle démesuré dans la physique et la chimie de l’Univers. En particulier, la poussière joue un rôle important dans la formation des étoiles, où elle est parfois appelée “l’ailier de l’hydrogène”.
Lorsqu’un nuage de gaz et de poussière s’effondre et forme une étoile, tout se passe à l’intérieur d’un tourbillon de matière. Les atomes d’hydrogène se rencontrent et se lient pour former de l’hydrogène moléculaire. Mais à mesure que le nuage s’effondre, la pression et la température augmentent et les atomes d’hydrogène commencent à se déplacer trop rapidement pour se lier les uns aux autres. À l’intérieur de tout ce chaos, les atomes individuels ont plus de facilité à s’accrocher à un grain de poussière relativement frais et lent. Plusieurs atomes d’hydrogène se retrouvent à la surface de la poussière, où ils peuvent se lier ensemble en hydrogène moléculaire, conduisant à la formation d’étoiles.
La poussière joue également un autre rôle dans la formation des étoiles. Une fois qu’une nouvelle jeune étoile prend vie en fusion, son puissant rayonnement UV peut empêcher le gaz des nuages à proximité de former les liaisons hydrogène nécessaires, empêchant ainsi la formation de nouvelles étoiles. Mais la poussière peut agir comme un bouclier, absorbant les UV et les émettant sous forme de lumière infrarouge. De cette façon, les UV ne peuvent pas empêcher l’hydrogène de former des molécules et, éventuellement, des étoiles.
Le problème est qu’il y a une crise du budget de la poussière dans la cosmologie. Les observations montrent qu’il y a beaucoup plus de poussière dans les galaxies que les théories ne peuvent l’expliquer. L’une des tâches du JWST est de faire la lumière sur ce mystère, et en imageant WR 124 et d’autres étoiles WR, le télescope devrait commencer à expliquer pourquoi la poussière est si abondante.
Certaines preuves montrent que les étoiles WR pourraient être responsables de cette abondance de poussière, en partie par des interactions avec des compagnons binaires. (WR 124 n’a pas de compagnon binaire, mais il détient toujours des indices sur le mystère de la poussière.) Mais parce que ces étoiles sont si chaudes et si lumineuses, il est difficile d’observer la poussière en détail. C’est là qu’intervient le JWST.
“Ce que nous appelons la” crise du budget de la poussière “est le problème majeur en astronomie de ne pas pouvoir rendre compte de toute la poussière observée dans les galaxies, à la fois dans l’univers proche et lointain”, a déclaré Ryan Lau du Japon. Agence d’exploration aérospatiale. “La lumière infrarouge moyenne que Webb peut détecter est exactement la longueur d’onde de la lumière que nous voulons examiner pour étudier la poussière et sa composition chimique.” Lau fait partie des efforts du JWST pour étudier les étoiles WR productrices de poussière.
“Comprendre la formation de la poussière est essentiel pour nous afin de retracer nos propres origines cosmiques”, déclare Lau. “Webb est l’un des outils scientifiques les plus puissants jamais construits dans la quête pour trouver des réponses à ces questions fondamentales.”
Les étoiles Wolf-Rayet ont soufflé la majeure partie de leur hydrogène, qui ne peut pas former de poussière. Au lieu de cela, ils jettent d’autres éléments du plus profond de leur structure, comme le carbone, qui peut former de la poussière. Comme le JWST donne aux scientifiques un meilleur aperçu des étoiles WR comme WR 124, ils devraient acquérir une meilleure compréhension des étoiles WR et de la poussière qu’elles créent et éjectent dans l’Univers.
Les images de JWST de WR 124 sont des instantanés dans une vue en constante évolution de l’étoile massive. Quand elle finira par exploser en supernova, elle ressemblera aux étoiles qui ont explosé au début de l’Univers. Ces étoiles ont ensemencé l’Univers avec les éléments lourds nécessaires à la formation des planètes rocheuses et à l’émergence de la vie. Peut-être qu’un jour, quelque part dans la Voie lactée, la vie future pourra remonter à des étoiles comme WR 124.
