Une équipe internationale d'astronomes a réussi à détecter des signes de vieillissement dans l'étoile supergéante rouge T UMi. L'étoile de la constellation de la Petite Ourse traverse actuellement ses derniers « hoquets » nucléaires, " et mettra bientôt fin à sa durée de vie de 1,2 milliard d'années.

Imaginez que vous êtes une mouche et que vous voulez comprendre comment les humains vieillissent. Vous n'avez pas le temps de choisir un seul spécimen et d'attendre :vous devez travailler avec ce que vous voyez en ce moment, et essayez de lui donner un sens d'une manière ou d'une autre. C'est le problème central de la détermination de l'évolution stellaire au cours des vies humaines.

La vie des étoiles progresse très progressivement, et la plupart du temps, nous ne pouvons pas détecter le passage du temps dans ces objets. Une exception bien connue à cette règle est une explosion de supernova, mais la grande majorité des étoiles ne connaissent pas cette phase. Les étoiles semblables au Soleil finissent leur vie beaucoup plus tranquillement :elles se transforment en supergéantes rouges puis en nébuleuses planétaires au bout de quelques milliards d'années, et ne laissent qu'une petite naine blanche comme vestige.

Les astronomes ont rassemblé des preuves de cette séquence en observant des millions d'étoiles, chacun avec un âge et une masse différents, et en calculant "typique, " ou moyenne, comportement à l'aide de modèles stellaires. Cependant, il est difficile de trouver des preuves directes qu'une étoile particulière suit ce chemin.

Chercheurs de l'Observatoire Konkoly de l'Académie hongroise des sciences, Dr László Molnár et Dr László Kiss, et leur collaborateur international, Dr Meridith Joyce, à l'Université nationale australienne, ont maintenant réussi à découvrir des preuves directes de cette évolution grâce à une brève fenêtre d'opportunité à la fin de la vie des étoiles plus petites.

Au cours des derniers millions d'années, pendant la transition de l'étoile d'une géante rouge à une naine blanche, la production d'énergie dans l'étoile devient instable. Au cours de cette phase, la fusion nucléaire s'embrase profondément à l'intérieur, provoquant des "hoquets, " ou des impulsions thermiques. Ces impulsions provoquent des changements rapides de la taille et de la luminosité de l'étoile, visibles au fil des siècles. Il est donc possible qu'une impulsion thermique soit remarquée au cours de la vie humaine - si le moment est propice et que nous savons où en rechercher les signes.

L'identification est facilitée par le fait que ces vieilles étoiles sont aussi des étoiles variables. Les ondes sonores les font se dilater et se contracter périodiquement, créant des pulsations sur des cycles d'un an. Ces variations lumineuses lentes mais très marquées dans de nombreuses étoiles, dont T UMi, sont suivis par des générations d'astronomes professionnels et amateurs depuis plus d'un siècle. Malgré des termes similaires, la pulsation et les impulsions thermiques sont deux phénomènes distincts, et nous pouvons utiliser la première pour rechercher les signes révélateurs de la seconde :comme l'étoile rétrécit au cours d'une impulsion, les ondes sonores atteignent les limites plus rapidement, raccourcir les périodes de pulsation tout au long de l'année.

T UMi n'était pas une étoile variable particulièrement remarquable jusqu'aux années 1980, lorsque sa période de pulsation a commencé à se raccourcir considérablement. Une impulsion thermique a été théorisée comme étant la cause de ce changement d'une rapidité sans précédent par les astronomes hongrois au début des années 2000, mais les modèles d'évolution stellaire n'étaient pas assez précis pour faire correspondre les observations à la théorie jusqu'à récemment.

Les chercheurs hongrois avaient depuis longtemps l'intention de jeter un autre regard sur T UMi lorsque de meilleurs outils et davantage de données seraient disponibles. Comme l'a expliqué le Dr Kiss, "Aujourd'hui, dans la deuxième décennie des années 2000, nous pouvons modéliser les structures intérieures, évolution, et des oscillations d'étoiles avec des détails et une précision inégalés, grâce à d'immenses développements dans le domaine de l'astrophysique numérique. La compréhension théorique de T Ursae Minoris n'est devenue une possibilité réelle qu'au cours des 4 à 5 dernières années, mais les enquêtes n'ont jamais été complètement écartées."

Et leur patience a payé, car les données recueillies par le réseau mondial d'observateurs de l'Association américaine des observateurs d'étoiles variables (AAVSO) au cours de la dernière décennie se sont avérées cruciales :elles ont révélé qu'un deuxième mode de pulsation est apparu dans l'étoile. Ces deux ondes sonores distinctes "se désaccordent" à mesure que l'étoile rétrécit, permettant de déterminer les propriétés de l'étoile avec une précision beaucoup plus élevée que jamais.

La modélisation physique détaillée de l'étoile a été réalisée par le co-chercheur principal, le Dr Meridith Joyce à l'Université nationale australienne de Canberra, Australie. Grâce à leur collaboration, les astronomes ont reproduit le comportement de T UMi avec des codes d'évolution et de pulsation stellaires de pointe.

"Bien que nos techniques de modélisation des étoiles se soient considérablement améliorées au cours des dernières décennies, il est à la pointe de nos capacités à modéliser un événement évolutif aussi bref avec ce genre de précision. Le projet nécessitait le développement de logiciels et d'outils d'extraction de données entièrement nouveaux, " a déclaré le Dr Joyce. Pour mettre la difficulté de la tâche en contexte :les modèles sont conçus pour cartographier des milliards d'années de vie stellaire, mais une précision de l'ordre de 5 à 10 ans est nécessaire pour calculer les périodes de pulsation.

Mais les modèles ont eu du succès. À la fin, les calculs ont révélé des preuves très solides que T UMi entre dans une impulsion thermique, et a en outre montré que l'étoile était née il y a 1,2 milliard d'années à environ deux fois la masse du Soleil. Il s'agit de l'estimation la plus précise de la masse et de l'âge pour ce type de vieux, étoile unique jamais atteinte.

Et les mannequins ont révélé non seulement le passé de la star, mais son avenir aussi :les astronomes ont conclu que cette phase de contraction durera 80-100 ans au total, ce qui signifie que nous pourrons voir l'étoile s'étendre à nouveau vers l'extérieur dans 40 à 60 ans. Tester cette prédiction sera très simple :nous n'avons besoin que des futures générations d'astronomes amateurs pour continuer à observer les variations lumineuses de T UMi.

En regardant plus loin dans le temps, les modèles suggèrent également que l'étoile connaît l'une de ses dernières impulsions thermiques, et pourrait ainsi entrer dans sa phase de naine blanche d'ici des dizaines à des centaines de milliers d'années. "C'est une pensée qui donne à réfléchir que même des événements 'rapides', comme l'apparition d'une impulsion thermique dans une étoile, se mesurent encore en décennies. Il faudra peut-être toute une carrière scientifique pour finalement prouver, ou réfuter, ce genre de prédiction. Néanmoins, nous prévoyons de garder un œil sur T UMi dans un avenir prévisible, " Dr Molnar, co-investigateur principal de l'étude, conclu.

Cela fournira l'un des tests les plus critiques et directs de nos modèles d'évolution stellaire à ce jour, mais, l'observation directe d'une impulsion thermique a également des implications plus larges. Les impulsions thermiques enrichissent l'Univers entier. Plusieurs éléments, dont le carbone, azote, étain, et diriger, ne sont pas produits par les supernovae, mais plutôt dans les profondeurs de vieilles étoiles comme T UMi.

Ces éléments sont capables d'atteindre la surface de l'étoile et de pénétrer dans le milieu interstellaire environnant par le mélange induit lors d'une impulsion. De là, les vents stellaires les poussent dans la galaxie sous la forme de minuscules grains de poussière. Ces grains de poussière sont les éléments constitutifs des prochaines générations d'étoiles, faire la formation de planètes autour des étoiles, et peut-être même la vie à base de carbone sur ces planètes, possible.

"Nous sommes ravis d'avoir participé à ce travail, " a déclaré le Dr Stella Kafka, Directeur exécutif de l'AAVSO. "C'est un excellent exemple de collaboration entre des astronomes professionnels et nos observateurs qui ont minutieusement fourni des données pendant des décennies. C'est formidable de voir de nouveaux résultats sur un ancien favori."

Les résultats de cette étude ont été publiés dans Le Journal d'Astrophysique . Une version pré-imprimée est disponible gratuitement sur arXiv.