Que font de minuscules grains de poussière d'étoile de carbure de silicium, trouvés dans des météorites et plus anciens que le système solaire, ont en commun avec des paires d'étoiles vieillissantes sujettes aux éruptions ?

Une collaboration entre deux scientifiques de l'Arizona State University, le cosmochimiste Maitrayee Bose et l'astrophysicien Sumner Starrfield, à la fois de l'École de la Terre et de l'exploration spatiale - a découvert le lien et identifié le type d'explosion stellaire qui a produit les grains de poussière d'étoile.

Leur étude vient d'être publiée dans le Journal d'astrophysique .

Les grains microscopiques de carbure de silicium – mille fois plus petits que la largeur moyenne d'un cheveu humain – faisaient partie des matériaux de construction qui ont construit le soleil et le système planétaire. Né dans des explosions de nova, qui sont des éruptions cataclysmiques répétées de certains types d'étoiles naines blanches, les grains de carbure de silicium se trouvent aujourd'hui noyés dans des météorites primitives.

"Le carbure de silicium est l'un des morceaux les plus résistants trouvés dans les météorites, " Bose a déclaré. "Contrairement à d'autres éléments, ces grains de poussière d'étoiles ont survécu inchangés depuis avant la naissance du système solaire."

Naissance violente

Une étoile devient une nova - une "nouvelle étoile" - lorsqu'elle s'illumine soudainement de plusieurs magnitudes. Les novae se produisent dans des paires d'étoiles où une étoile est chaude, reste compact appelé naine blanche. L'autre est une étoile géante froide si grande que son atmosphère extérieure étendue alimente en gaz la naine blanche. Lorsque suffisamment de gaz s'accumule sur la naine blanche, une éruption thermonucléaire s'ensuit, et l'étoile devient une nova.

Bien que puissant, l'éruption ne détruit pas la naine blanche ou son compagnon, afin que les novae puissent éclater encore et encore, jeter à plusieurs reprises dans l'espace des grains de gaz et de poussière produits lors de l'explosion. De là, les grains de poussière fusionnent avec les nuages ​​de gaz interstellaire pour devenir les ingrédients de nouveaux systèmes stellaires.

Le soleil et le système solaire sont nés il y a environ 4,6 milliards d'années d'un tel nuage interstellaire, ensemencées de grains de poussière provenant d'éruptions stellaires antérieures par de nombreux types d'étoiles. Presque tous les grains d'origine ont été consommés pour fabriquer le soleil et les planètes, pourtant une infime fraction est restée. Aujourd'hui, ces morceaux de poussière d'étoiles, ou grains présolaires, peuvent être identifiés dans les matériaux primitifs du système solaire tels que les météorites chondritiques.

"La clé qui a débloqué cela pour nous était la composition isotopique des grains de poussière d'étoile, ", a déclaré Bose. Les isotopes sont des variétés d'éléments chimiques qui ont des neutrons supplémentaires dans leur noyau. "L'analyse isotopique nous permet de retracer les matières premières qui se sont réunies pour former le système solaire."

Elle a ajouté, "Chaque grain de carbure de silicium porte une signature de la composition isotopique de son étoile mère. Cela fournit une sonde de la nucléosynthèse de cette étoile - comment elle a fabriqué des éléments."

Bose a collecté des données publiées sur des milliers de céréales, et a constaté que presque tous les grains regroupés naturellement en trois catégories principales, chacune attribuable à un type d'étoile ou à un autre.

Mais il y avait environ 30 grains qui ne pouvaient pas être retracés à une origine stellaire particulière. Dans les analyses originales, ces grains ont été signalés comme pouvant provenir d'explosions de nova.

Mais l'ont-ils fait ?

Faire de la poussière d'étoile

En tant qu'astrophysicien théoricien, Starrfield utilise des calculs et des simulations informatiques pour étudier divers types d'explosions stellaires. Il s'agit notamment de novae, novae récurrente, Sursauts de rayons X et supernovae.

En collaboration avec d'autres astrophysiciens, il développait un modèle informatique pour expliquer les matériaux éjectés observés dans le spectre d'une nova découverte en 2015. Puis il a assisté à une conférence donnée par Bose avant qu'elle ne rejoigne la faculté.

"Je n'aurais pas poursuivi cela si je n'avais pas entendu le discours de Maitrayee et eu ensuite notre discussion de suivi, " a-t-il dit. Cela l'a amené plus profondément dans les détails des éruptions de nova en général et ce que les grains présolaires pouvaient dire sur ces explosions qui les ont jetés dans l'espace.

Un problème est vite survenu. "Après avoir parlé avec elle, " Starrfield a dit, "J'ai découvert que notre façon initiale de résoudre le problème n'était pas d'accord avec les observations astronomiques ou ses résultats.

"Je devais donc trouver un moyen de contourner cela."

Il s'est tourné vers des études multidimensionnelles des explosions de nova classiques et a mis au point une toute nouvelle façon de faire les calculs du modèle.

Il existe deux grandes classes de composition de nova, dit Starrfield. "L'une est la classe oxygène-néon sur laquelle je travaille depuis 20 ans. L'autre est la classe carbone-oxygène à laquelle je n'avais pas accordé autant d'attention." Les désignations de classe pour les novae proviennent des éléments vus dans leurs spectres.

"Le type carbone-oxygène produit beaucoup de poussière dans le cadre de l'explosion elle-même, " a déclaré Starrfield. " L'idée est que l'explosion de la nova atteint le noyau de carbone-oxygène de la naine blanche, amener tous ces éléments améliorés et enrichis dans une région aux températures élevées."

Cette, il a dit, peut provoquer une explosion beaucoup plus grande, ajouter, "C'est vraiment salissant. Il projette de la poussière en vrilles, des draps, jets, blobs et touffes."

Les calculs de Starrfield ont fait des prédictions de 35 isotopes, y compris celles du carbone, azote, silicium, soufre et aluminium, qui serait créé par les explosions de nova carbone-oxygène.

Il s'est avéré que l'obtention de la bonne proportion de matériau de noyau de naine blanche et de matériau accrété de l'étoile compagnon était absolument nécessaire pour que les simulations fonctionnent. Bose et Starrfield ont ensuite comparé les prédictions avec les compositions publiées des grains de carbure de silicium.

Cela les a conduits à une conclusion quelque peu surprenante. a dit Bose, "Nous avons découvert que seulement cinq des quelque 30 grains pourraient provenir de novae."

Bien que cela puisse sembler un résultat décevant, les scientifiques étaient en fait ravis. Bose a dit, "Maintenant, nous devons expliquer les compositions des grains qui ne proviennent pas des explosions de nova. Cela signifie qu'il y a une ou des sources stellaires complètement nouvelles à découvrir."

Puis en regardant l'image plus grande, elle a ajouté, "Nous avons également découvert que les observations astronomiques, des simulations informatiques et des mesures de laboratoire de haute précision des grains de poussière d'étoiles sont toutes nécessaires si nous voulons comprendre comment les étoiles évoluent. Et c'est exactement le genre de science interdisciplinaire dans laquelle l'école excelle."