Notre soleil avait-il un jumeau à sa naissance il y a 4,5 milliards d'années ?

Presque certainement oui, mais pas un jumeau identique. Et de même toutes les autres étoiles solaires de l'univers, selon une nouvelle analyse d'un physicien théoricien de l'UC Berkeley et d'un radioastronome du Smithsonian Astrophysical Observatory de l'Université Harvard.

Beaucoup d'étoiles ont des compagnons, y compris notre plus proche voisin, Alpha Centauri, un système triplet. Les astronomes ont longtemps cherché une explication. Les systèmes d'étoiles binaires et triples sont-ils nés de cette façon ? Une étoile en a-t-elle capturé une autre ? Les étoiles binaires se séparent-elles parfois et deviennent-elles des étoiles simples ?

Les astronomes ont même cherché un compagnon de notre soleil, une étoile surnommée Nemesis parce qu'elle était censée avoir envoyé un astéroïde en orbite terrestre qui est entré en collision avec notre planète et a exterminé les dinosaures. Il n'a jamais été trouvé.

La nouvelle affirmation est basée sur une étude radio d'un nuage moléculaire géant rempli d'étoiles récemment formées dans la constellation de Persée, et un modèle mathématique qui ne peut expliquer les observations de Persée que si toutes les étoiles semblables au soleil naissent avec un compagnon.

"Nous disons, Oui, il y avait probablement un Némésis, il y a longtemps, " a déclaré le co-auteur Steven Stahler, un astronome de recherche de l'UC Berkeley.

"Nous avons exécuté une série de modèles statistiques pour voir si nous pouvions tenir compte des populations relatives de jeunes étoiles simples et binaires de toutes les séparations dans le nuage moléculaire de Persée, et le seul modèle qui pouvait reproduire les données était celui dans lequel toutes les étoiles se forment initialement sous forme de binaires larges. Ces systèmes rétrécissent ou se désagrègent ensuite en un million d'années."

Dans cette étude, "large" signifie que les deux étoiles sont séparées par plus de 500 unités astronomiques, ou AU, où une unité astronomique est la distance moyenne entre le soleil et la Terre (93 millions de miles). Un large compagnon binaire de notre soleil aurait été 17 fois plus éloigné du soleil que sa planète la plus éloignée aujourd'hui, Neptune.

Sur la base de ce modèle, le frère du soleil s'est très probablement échappé et s'est mélangé à toutes les autres étoiles de notre région de la Voie lactée, à ne plus jamais revoir.

"L'idée que de nombreuses étoiles se forment avec un compagnon a déjà été suggérée, mais la question est :combien ?" a déclaré la première auteure Sarah Sadavoy, un membre de la NASA Hubble au Smithsonian Astrophysical Observatory. « Sur la base de notre modèle simple, nous disons que presque toutes les étoiles se forment avec un compagnon. Le nuage de Persée est généralement considéré comme une région typique de formation d'étoiles de faible masse, mais notre modèle doit être vérifié dans d'autres nuages."

L'idée que toutes les étoiles naissent dans une portée a des implications au-delà de la formation des étoiles, y compris les origines mêmes des galaxies, dit Stahler.

Stahler et Sadavoy ont publié leurs conclusions en avril sur le serveur arXiv. Leur article a été accepté pour publication dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Des étoiles nées dans des « noyaux denses »

Les astronomes ont spéculé sur les origines des systèmes d'étoiles binaires et multiples pendant des centaines d'années, et ces dernières années, ils ont créé des simulations informatiques d'effondrement de masses de gaz pour comprendre comment elles se condensent sous l'effet de la gravité en étoiles. Ils ont également simulé l'interaction de nombreuses jeunes étoiles récemment libérées de leurs nuages ​​de gaz. Il y a plusieurs années, l'une de ces simulations informatiques par Pavel Kroupa de l'Université de Bonn l'a amené à conclure que toutes les étoiles naissent sous forme de binaires.

Pourtant, les preuves directes des observations ont été rares. Alors que les astronomes regardent des étoiles de plus en plus jeunes, ils trouvent une plus grande proportion de binaires, mais pourquoi est encore un mystère.

"La clé ici est que personne auparavant n'a examiné de manière systématique la relation entre les vraies jeunes étoiles et les nuages ​​qui les engendrent, " Stahler a déclaré. "Notre travail est un pas en avant dans la compréhension à la fois de la façon dont les binaires se forment et aussi du rôle que les binaires jouent dans l'évolution stellaire précoce. Nous pensons maintenant que la plupart des étoiles, qui sont assez semblables à notre propre soleil, forme sous forme de binaires. Je pense que nous avons les preuves les plus solides à ce jour pour une telle affirmation."

Selon Stahler, les astronomes savent depuis plusieurs décennies que les étoiles naissent à l'intérieur de cocons en forme d'œuf appelés noyaux denses, qui parsèment d'immenses nuages ​​de froid, l'hydrogène moléculaire qui sont les pépinières des jeunes étoiles. Grâce à un télescope optique, ces nuages ​​ressemblent à des trous dans le ciel étoilé, parce que la poussière qui accompagne le gaz bloque la lumière à la fois des étoiles qui se forment à l'intérieur et des étoiles derrière. Les nuages ​​peuvent, cependant, être sondé par des radiotélescopes, puisque les grains de poussière froide qu'ils contiennent émettent à ces longueurs d'onde radio, et les ondes radio ne sont pas bloquées par la poussière.

Le nuage moléculaire Persée est l'une de ces pépinières stellaires, environ 600 années-lumière de la Terre et environ 50 années-lumière de long. L'année dernière, une équipe d'astronomes a réalisé un levé qui a utilisé le Very Large Array, une collection d'antennes paraboliques au Nouveau-Mexique, pour observer la formation d'étoiles à l'intérieur du nuage. Appelé VANDAM, c'était la première étude complète de toutes les jeunes étoiles dans un nuage moléculaire, C'est, étoiles de moins de 4 millions d'années environ, y compris les étoiles simples et multiples jusqu'à des séparations d'environ 15 unités astronomiques. Cela a capturé toutes les étoiles multiples avec une séparation de plus d'environ le rayon de l'orbite d'Uranus - 19 UA - dans notre système solaire.

Stahler a entendu parler de l'enquête après avoir approché Sadavoy, membre de l'équipe VANDAM, et lui demander son aide pour observer de jeunes étoiles à l'intérieur de noyaux denses. L'enquête VANDAM a produit un recensement de toutes les étoiles de classe 0 - celles de moins d'environ 500, 000 ans – et les étoiles de classe I – celles entre environ 500, 000 et 1 million d'années. Les deux types d'étoiles sont si jeunes qu'elles ne brûlent pas encore d'hydrogène pour produire de l'énergie.

Sadavoy a pris les résultats de VANDAM et les a combinés avec des observations supplémentaires qui révèlent les cocons en forme d'œuf autour des jeunes étoiles. Ces observations supplémentaires proviennent du Gould Belt Survey avec SCUBA-2 sur le télescope James Clerk Maxwell à Hawaï. En combinant ces deux ensembles de données, Sadavoy a pu produire un recensement robuste des populations binaires et à une seule étoile de Persée, faire apparaître 55 jeunes étoiles dans 24 systèmes à étoiles multiples, tous sauf cinq binaires, et 45 systèmes à une étoile.

En utilisant ces données, Sadavoy et Stahler ont découvert que tous les systèmes binaires largement séparés - ceux avec des étoiles séparées par plus de 500 UA - étaient de très jeunes systèmes, contenant deux étoiles de classe 0. Ces systèmes avaient également tendance à être alignés avec le grand axe du noyau dense en forme d'œuf. Les étoiles binaires légèrement plus anciennes de classe I étaient plus proches les unes des autres, beaucoup séparés par environ 200 UA, et n'a montré aucune tendance à s'aligner le long de l'axe de l'œuf.

"Cela n'a jamais été vu ou testé auparavant, et c'est super intéressant, " dit Sadavoy. " Nous ne savons pas encore très bien ce que cela signifie, mais ce n'est pas aléatoire et doit dire quelque chose sur la façon dont les binaires larges se forment."

Les noyaux en forme d'œuf s'effondrent en deux centres

Stahler et Sadavoy ont modélisé mathématiquement divers scénarios pour expliquer cette répartition des étoiles, en supposant une formation typique, temps de rupture et de rétrécissement orbital. Ils ont conclu que la seule façon d'expliquer les observations est de supposer que toutes les étoiles de masses autour de celle du soleil commencent comme de larges binaires de classe 0 dans des noyaux denses en forme d'œuf, après quoi environ 60 pour cent se sont séparés au fil du temps. Le reste se rétrécit pour former des binaires serrés.

"Comme l'œuf se contracte, la partie la plus dense de l'œuf sera vers le milieu, et qui forme deux concentrations de densité le long de l'axe médian, ", a-t-il dit. "Ces centres de densité plus élevée s'effondrent à un moment donné sur eux-mêmes en raison de leur auto-gravité pour former des étoiles de classe 0."

"Dans notre image, simple de faible masse, les étoiles solaires ne sont pas primordiales, " Stahler a ajouté. " Ils sont le résultat de l'éclatement des binaires. "

Leur théorie implique que chaque noyau dense, qui comprend typiquement quelques masses solaires, convertit deux fois plus de matière en étoiles qu'on ne le pensait auparavant.

Stahler a déclaré qu'il demandait aux radioastronomes de comparer des noyaux denses avec leurs jeunes étoiles intégrées depuis plus de 20 ans, afin de tester les théories de la formation d'étoiles binaires. Les nouvelles données et le nouveau modèle sont un début, il dit, mais plus de travail doit être fait pour comprendre la physique derrière la règle.

De telles études pourraient arriver bientôt, parce que les capacités d'un VLA désormais amélioré et du télescope ALMA au Chili, plus l'enquête SCUBA-2 à Hawaï, "nous donnent enfin les données et les statistiques dont nous avons besoin. Cela va changer notre compréhension des noyaux denses et des étoiles intégrées à l'intérieur, " dit Sadavoy.