Des étoiles qui tombent et se brisent

Beaucoup d’étoiles que vous voyez en levant les yeux vers le ciel ont passé au moins une partie de leur existence au sein d’amas stellaires. Ces amas sont des groupes pouvant compter des millions d’étoiles qui ont une origine commune et sont liées entre elles par la gravité.

Les amas d’étoiles présentent un intérêt scientifique, car tous leurs membres se sont formés à peu près au même moment et possèdent des caractéristiques similaires. Par exemple, si le nuage de gaz et de poussière dans lequel l’amas s’est formé est riche en certains éléments, les étoiles qui s’y forment en contiendront elles aussi d’abondantes quantités.

Il existe deux types d’amas d’étoiles : les amas ouverts (galactiques) et les amas globulaires. Ils se distinguent par plusieurs caractéristiques.

Amas stellaires galactiques

Les amas ouverts sont généralement des regroupements d'étoiles irrégulièrement répartis, dont le nombre peut varier de quelques dizaines à quelques milliers. On les trouve fréquemment dans le plan galactique, et la plupart des étoiles qui les composent ont moins de 10 milliards d'années. Certaines sont même enfouies dans les vestiges du nuage de gaz et de poussière dont elles sont issues.

Les étoiles qui composent les amas ouverts sont liées entre elles par une faible attraction gravitationnelle. De ce fait, l'amas peut se désintégrer en raison d'interactions irrégulières avec d'autres objets lors de son orbite autour de la galaxie, et ses membres peuvent quitter l'amas.

Les Sept Sœurs : Les Pléiades

Les amas ouverts étant plus dispersés et irréguliers que les amas globulaires, les étoiles qui les composent peuvent être facilement résolues individuellement, même avec un simple télescope. Certaines sont même visibles à l'œil nu. Les Pléiades constituent un exemple de ces amas.

Les Pléiades comptent parmi les plus beaux objets de Messier observables à l’œil nu. L’amas comprend plus d’un millier d’étoiles ; ses sept étoiles les plus brillantes, connues sous le nom des « Sept Sœurs », sont visibles même depuis des zones urbaines relativement polluées par la lumière. La plupart des étoiles de cet amas se concentrent dans une région située à 440 années-lumière.

Les Pléiades traversent la galaxie en direction d’une région proche du pied de la constellation d’Orion (le Chasseur). On prévoit que la gravité maintiendra l’amas uni pendant les 250 prochains millions d’années. Toutefois, à mesure que l’amas se déplacera, ses membres s’éloigneront de plus en plus les uns des autres et, comme de nombreux autres amas ouverts, il finira par se disperser.

Que sont les amas stellaires ouverts et globulaires ? Où se trouvent aujourd’hui les étoiles nées en même temps que le Soleil ?

Les plus grandes structures de l'Univers : que sont les groupes de galaxies, les amas et les superamas ?

Combien y a-t-il de galaxies dans l'Univers ?

Le groupe en désintégration : le groupe mobile de la Grande Ourse

Les étoiles qui composent la plupart des constellations sont en réalité totalement indépendantes et sans lien entre elles. Par exemple, Bellatrix, l'une des étoiles de la célèbre constellation d'Orion, se situe à environ 250 années-lumière de la Terre, tandis que Rigel, également dans cette constellation, est à plus de 800 années-lumière de la Terre.

La situation est toutefois légèrement différente pour la constellation de la Grande Ourse. Le Groupe mobile de la Grande Ourse est un exemple d'amas ouvert en fragmentation. Cet amas s'est formé il y a plusieurs centaines de millions d'années, à une distance de 78 à 84 années-lumière, et s'étend désormais sur une zone de 30 années-lumière de diamètre. Six des étoiles les plus brillantes de la constellation appartiennent à cet amas.

La célèbre constellation de la Grande Ourse et le Grand Chariot. Six des huit étoiles qui composent le Chariot (dont l’une est un système d’étoiles binaires, comme on le voit sur la photo) appartiennent à cet amas ouvert et se trouvent presque à la même distance. Les deux étoiles situées à l’extrémité du Chariot et du manche n’appartiennent pas à cet amas.

Amas globulaires

Les amas globulaires sont des populations stellaires extrêmement denses, composées de milliers, voire de millions d'étoiles. Ils orbitent pour la plupart autour du halo galactique et sont constitués des étoiles les plus anciennes de la galaxie.

Les amas globulaires ont une forme sphérique en raison de la forte gravité exercée par des centaines de milliers d’étoiles. Ils ne contiennent presque aucun nuage de gaz et de poussière.

Le nombre d’amas globulaires dans une galaxie donnée semble lié à la masse de celle-ci. On connaît environ 150 amas globulaires dans la Voie lactée. Cependant, il est probable que d’autres amas se cachent derrière son épais disque. Notre plus proche voisine galactique, la galaxie d’Andromède, abrite plus de 400 amas globulaires. M87, une galaxie elliptique massive qui contient plusieurs milliers de milliards d’étoiles, compte environ 15 000 amas globulaires !

Le plus grand amas d'étoiles de la Voie lactée : Omega Centauri

Omega Centauri, qui compte environ 10 millions d'étoiles, est le plus grand amas globulaire de la Voie lactée et se situe à environ 15 000 années-lumière de la Terre. Avec un diamètre de 150 années-lumière, cet amas massif est 10 fois plus grand qu'un amas globulaire typique !

Omega Centauri est si dense que les étoiles de son cœur sont séparées en moyenne par seulement 0,16 année-lumière. À titre de comparaison, l'étoile la plus proche du Soleil est Proxima Centauri, située à seulement 4,2 années-lumière. Cela signifie que les étoiles du cœur de cet amas sont extrêmement proches les unes des autres.

Les trous noirs « intermédiaires » dans les amas globulaires

Les amas globulaires sont extrêmement denses, bien plus que le reste de la galaxie. Cette densité favorise la présence d’objets compacts tels que les trous noirs, les étoiles à neutrons et les naines blanches dans les amas globulaires. En effet, les calculs théoriques suggèrent que la fréquence de ces objets y est environ 100 fois plus élevée que dans le reste de la galaxie.

Les images obtenues grâce au télescope spatial Hubble et les données du spectrographe GMOS de l'observatoire Gemini Sud au Chili indiquent qu'Omega Centauri pourrait abriter en son centre un trou noir de masse intermédiaire, rare et insaisissable. L'astronome Eva Noyola, de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre de Garching, explique :

Ce résultat met en évidence une gamme continue de masses de trous noirs, des trous noirs supermassifs aux trous noirs de masse intermédiaire, jusqu’aux trous noirs de faible masse.

Noyola et ses collègues ont mesuré les mouvements et la luminosité des étoiles au centre d'Omega Centauri. Leurs calculs indiquent la présence d'un trou noir d'une masse d'environ 40 000 masses solaires au centre de l'amas.

Omega Centauri n'est qu'un des nombreux amas globulaires contenant un trou noir. Le télescope spatial Hubble avait précédemment détecté la présence d'un autre trou noir de masse intermédiaire, d'une masse de 20 000 masses solaires, au centre de l'amas G1 dans la galaxie d'Andromède.

Avant cette observation, nous ne disposions que d'un seul exemple de trou noir de masse intermédiaire, situé dans l'amas globulaire G1 voisin de la galaxie d'Andromède.

De même, les données de Hubble suggèrent que l’amas globulaire M15 de notre galaxie abrite également en son centre un trou noir d’une masse d’environ 4 000 masses solaires.

Les trous noirs situés au centre des amas globulaires pourraient apporter des réponses aux questions sur la formation des galaxies. Roeland Van Der Marel, du Space Telescope Science Institute de Baltimore, déclare :

Grâce à ces nouvelles données du télescope Hubble, nous ne nous contenterons pas de comprendre la formation des trous noirs. Elles nous aideront également à relier les amas globulaires aux galaxies et à mieux appréhender l'un des problèmes non résolus les plus importants de l'astronomie actuelle : la formation des structures galactiques dans l'Univers.

Karl Gebhardt, de l'Université du Texas à Austin, suggère que les trous noirs de masse intermédiaire découverts par Hubble pourraient être les éléments constitutifs des trous noirs supermassifs que l'on trouve au centre de la plupart des galaxies.

Il existe deux principales théories sur la formation des trous noirs : on peut soit en créer un d’un seul coup en concentrant une grande quantité de matière au centre d’une galaxie en formation, soit partir d’un trou noir qui grossit avec le temps, comme une graine. Les observations semblent confirmer cette dernière théorie : tout commence par un petit trou noir.

Depuis une trentaine d'années, les astronomes recherchent des trous noirs dans les amas globulaires. Leur seul obstacle était l'impossibilité, pour les télescopes terrestres, de distinguer clairement les étoiles les plus proches du trou noir supposé se trouver au centre de l'amas. Cependant, la haute résolution du télescope spatial Hubble a permis de surmonter cet obstacle. Les chercheurs affirment que cette quête de trous noirs, qui a duré des décennies, est désormais terminée.

Détermination de l’âge des amas par la métallicité stellaire

L'âge d'un amas stellaire peut être déterminé par les éléments qui le composent. Les étoiles formant de jeunes amas sont plus riches en métaux. À l'inverse, les amas plus anciens sont considérablement plus pauvres en métaux car ils se sont formés avant l'apparition des éléments lourds dans l'Univers.

Les amas globulaires proches du centre de la Voie lactée sont plus anciens que ceux qui en sont plus éloignés. Cela laisse penser que les amas plus jeunes se sont formés lors de fusions avec d’autres galaxies, tandis que les plus anciens remontent à la naissance de la galaxie.

L'amas où le Soleil est né

Le Soleil est né il y a 4,5 milliards d’années dans un amas ouvert peu dense, qui comptait probablement entre 1 000 et 10 000 étoiles. Nous le savons parce que, dans les amas denses, les étoiles en formation interagissent constamment sous l’effet de la gravité, ce qui disperse les disques à partir desquels les planètes se formeront. Or, le Soleil possède un très grand système planétaire, qui comprend notamment la Terre.

La formation du Soleil

En réalité, de nombreuses nébuleuses sont inactives et statiques jusqu'à ce qu'un événement déclencheur se produise. C'était également le cas du nuage de gaz et de poussière qui allait former le Système solaire. Cependant, des millions d'années avant la formation du Soleil, un phénomène a stimulé la nébuleuse. Les astronomes pensent qu'il s'agissait d'une supernova. Les ondes de choc d'une supernova peuvent affecter la nébuleuse et initier la formation d'étoiles. L'étude des météorites confirme également l'hypothèse selon laquelle la nébuleuse à l'origine du Système solaire a été déclenchée par une supernova.

Si la formation et l’évolution du Soleil et du Système solaire vous intéressent, vous pouvez lire notre article. Nous n’entrerons pas dans les détails ici afin de rester dans le sujet.

Fragmentation des clusters

Les étoiles qui composent un amas ouvert sont liées entre elles par une faible attraction gravitationnelle. C'est pourquoi les amas ouverts se désagrègent au fil de leurs mouvements sur des millions d'années.

Le Soleil accomplit une orbite complète autour de la Voie lactée en 200 à 250 millions d’années. Notre étoile a donc déjà effectué 18 orbites complètes autour de la galaxie (elle est actuellement dans sa 19e orbite). Cette durée est largement suffisante pour qu’un amas ouvert se disperse et se désagrège.

À la recherche des frères et sœurs perdus du Soleil

Les étoiles formées dans un même amas stellaire portent les traces de la nébuleuse dont cet amas est issu, car elles ont des compositions chimiques similaires. C’est comme une « empreinte digitale ». Par exemple, en examinant les données spectrales des étoiles de l’amas des Pléiades, on peut facilement constater qu’elles se sont formées à partir du même nuage de gaz et de poussière.

Données spectrales de six étoiles des Pléiades recueillies par un astronome amateur. Les spectres stellaires sont très semblables dans l’ensemble, à quelques détails près.

Ainsi, HD 162826, qui présente la même abondance élémentaire et les mêmes paramètres orbitaux que le Soleil, a été identifiée comme l’étoile sœur du Soleil. HD 162826 est probablement née au même endroit que le Soleil, il y a 4,5 milliards d’années.

Ramirez a expliqué :

La découverte d’une seule sœur solaire est déjà enthousiasmante. Nous pensions n’en découvrir aucune. Nous nous attendons à ce que ces étoiles soient très rares.

Bien que HD 162826 soit une sœur du Soleil, ce n’est pas sa jumelle et elle est 15 % plus grande que lui.

HD 162826 se trouve dans la constellation d’Hercule, près de Véga, la cinquième étoile la plus brillante du ciel.

D'après Ramirez, l'existence d'une planète géante comme Jupiter autour de HD 162826 est improbable. En revanche, il pourrait s'agir de planètes telluriques plus petites, telles que la Terre, Mars ou Vénus.

Le fait que HD 162826 partage le même lieu de naissance que le Système solaire et la possibilité qu'elle abrite des planètes telluriques en font une cible de choix pour la recherche de vie extraterrestre. Ramirez a déclaré que, bien que cette possibilité soit faible, elle n'est pas nulle, et que des matériaux porteurs de vie pourraient voyager entre les étoiles, transportant les germes de la vie de la Terre vers des planètes d'autres systèmes stellaires.

On pourrait affirmer que les corps célestes associés au système solaire sont des candidats clés dans la recherche de la vie extraterrestre.

Mission Gaïa

Lancée par l’ESA en 2013, la mission Gaia recueille des données sur les mouvements et les distances de 1,3 milliard d’étoiles de notre galaxie grâce à la parallaxe. Les mesures effectuées depuis l’espace peuvent donner de bien meilleurs résultats que les mesures réalisées depuis le sol.

Les vastes capacités offertes par la mission Gaia faciliteront grandement la recherche d'étoiles sœurs du Soleil. Selon Ramirez, le nombre d'étoiles qu'ils pourront étudier sera multiplié par 10 000 !

Chaque étoile sœur du Soleil découverte par la science nous rapproche un peu plus de la compréhension des origines du système solaire.