Une étude montre que les étoiles les plus massives en fin de vie sont celles qui contaminent le milieu interstellaire avec de nouveaux éléments chimiques, donnant naissance à des générations successives d'étoiles dans ces "fossiles astronomiques".

Les amas globulaires sont des essaims d'environ un million d'étoiles liées entre elles par leur champ gravitationnel et distribuées à peu près sphériquement, qui se sont formés à partir d'un seul nuage de gaz et de poussières interstellaires. Comme leur âge est proche de celui de l'univers lui-même, ils sont considérés comme de véritables "fossiles astronomiques" car ils conservent des informations sur la composition chimique et l'évolution des galaxies depuis l'époque de leur origine. Dans ces amas se forment des étoiles de tailles différentes, et en observant les étoiles les plus massives qui survivent encore, nous pouvons déterminer l'âge de l'amas. Or depuis une vingtaine d'années on sait qu'il existe différentes générations d'étoiles dans un même amas. Et l'origine de ces générations successives n'était pas claire jusqu'à présent.

La revue professionnelle Les lettres du journal astrophysique publie aujourd'hui une étude d'une équipe internationale, auquel l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) a participé, qui résout ce mystère sur la formation et l'évolution des amas globulaires dans l'univers primitif. Selon cette étude la clé est dans la plus massive, étoiles évoluées AGB (branche géante asymptotique). C'est la première preuve que ces étoiles jouent un rôle fondamental dans la contamination du milieu interstellaire, à partir de laquelle se sont formées des générations successives d'étoiles.

Paulo Ventura, astronome de l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) et premier auteur de l'article, a mentionné l'importance des étoiles AGB lors de son récent séjour à l'IAC en tant que chercheur invité de Severo Ochoa, pendant laquelle ils travaillaient sur l'étude publiée aujourd'hui. "Jusqu'à maintenant", explique Aníbal García-Hernández, chercheur à l'IAC et deuxième auteur de l'article, « différents types d'étoiles avaient été préparés comme candidats :des étoiles supermassives, étoiles massives en rotation rapide, binaires interactifs massifs, et des étoiles AGB massives. Cette recherche clôt le débat sur les étoiles à l'origine de ce processus, et résout l'une des inconnues exceptionnelles dans la formation et l'évolution des amas globulaires", conclut-il.

"L'étape suivante", explique Flavia Dell'Agli, qui a récemment rejoint l'IAC en tant que chercheur postdoctoral, et qui est le troisième auteur de l'article, " sera l'analyse systématique de tous les amas globulaires de l'hémisphère nord déjà observés dans le projet APOGEE, ainsi que le grand nombre de ces systèmes qui seront observés, dès le printemps prochain, dans l'hémisphère sud dans APOGEE-2".

Le rôle des stars de l'AGB

Historiquement, les amas globulaires ont servi de laboratoires pour étudier l'évolution stellaire, car on pensait que toutes les étoiles d'un amas globulaire se sont formées en même temps et ont donc le même âge. Cependant, depuis quelques décennies, on sait que presque tous les amas globulaires contiennent plusieurs populations stellaires. Dans la première génération les abondances chimiques, par exemple ceux d'éléments tels que l'aluminium et le magnésium, montrent la composition du milieu interstellaire (ou intra-amas) d'origine. En peu de temps (astronomiquement) de seulement 500 millions d'années, le milieu est contaminé et à partir de ce milieu se forme la deuxième génération d'étoiles. Les chercheurs pensent que certaines des étoiles les plus massives de la première génération produisent et détruisent les éléments lourds de leur intérieur ("nucléosynthèse") et par une perte de masse rapide contaminent le milieu interstellaire où se forme alors la deuxième génération d'étoiles avec différentes abondances chimiques. Mais quelles étoiles sont responsables de ce phénomène ?

Les chercheurs soupçonnaient les étoiles AGB (branche géante asymptotique) les plus massives, qui ont entre quatre et huit fois la masse du Soleil, et maintenant cette étude a corroboré le soupçon. Pour ce faire, ils ont utilisé les observations des abondances de magnésium et d'aluminium observées par la collaboration internationale Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) et l'étude spécifique APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) combinées à des modèles théoriques de nucléosynthèse dans les étoiles AGB. Ils ont pu reproduire pour la première fois l'anticorrélation (relation dans laquelle lorsqu'une quantité croît, l'autre décroît) entre les deux éléments dans cinq amas globulaires de métallicités très différentes (quantités globales de métaux).

La production d'aluminium et la destruction de magnésium à l'intérieur des étoiles est très sensible à leur température et à leur métallicité globale, elles offrent donc un bon diagnostic pour dévoiler la nature des étoiles contaminantes. Plus la température de la zone d'origine de ces éléments est élevée, la base de la zone de convection à l'intérieur de l'étoile, plus l'aluminium est produit et plus le magnésium est détruit. On sait également que la température dans cette zone augmente lorsque la quantité totale de métaux dans l'étoile diminue. Dans les étoiles AGB massives, différents types de ces anticorrélations sont attendus :à très faible métallicité, on s'attend à plus d'aluminium et plus de destruction de magnésium, et à plus haute métallicité, exactement le contraire. Ces variations dans les anticorrélations sont exactement ce qui est observé dans les amas globulaires, et s'accorde très bien avec les prédictions théoriques pour les étoiles AGB massives, qui produisent ces éléments dans leurs intérieurs, puis les éjecter lors d'une phase de perte de masse extrêmement rapide.