Les observations de nébuleuses planétaires ont révélé un contenu moléculaire inhabituel et des enrichissements surprenants en isotopes rares, remettant en question les deux modèles chimiques ainsi que notre compréhension actuelle de la nucléosynthèse stellaire.

À l'aide des télescopes de 12 m et submillimétriques de l'Arizona Radio Observatory et du télescope de 30 m de l'IRAM près de Grenade, Espagne, des astronomes de l'Université de l'Arizona ont découvert un inventaire chimique inattendu dans les nébuleuses planétaires. Ces résultats, présenté à la 236e réunion de l'American Astronomical Society par Deborah Schmidt (maintenant au Swarthmore College), suggèrent que les nébuleuses planétaires jouent un rôle vital dans l'approvisionnement de l'espace interstellaire en matière riche en molécules, pas seulement des atomes.

Plus loin, les données moléculaires ont révélé des enrichissements inhabituels d'isotopes rares d'éléments communs tels que le carbone, oxygène, et de l'azote, dont 13C, 15N, et 17O. Les fortes abondances de ces isotopes inhabituels dans les nébuleuses planétaires ne peuvent pas être expliquées par notre compréhension actuelle de la façon dont la plupart des étoiles meurent, suggérer des processus supplémentaires, explosions même violentes, peut se produire.

Les nébuleuses planétaires représentent les derniers halètements des étoiles mourantes semblables au Soleil. A la fin de leur vie, ces étoiles éjectent leurs couches externes, formant une enveloppe brillamment fluorescente qui s'étend à l'écart du noyau résiduel. Cet éjecta se mélange à la matière de faible densité qui existe entre les étoiles, connu sous le nom de milieu interstellaire, où il peut plus tard être incorporé dans des systèmes stellaires nouvellement formés.

Le noyau vestigial, appelé naine blanche, émet de grandes quantités de rayonnement à haute énergie lorsque sa température augmente dans la phase de nébuleuse planétaire. Par conséquent, on a longtemps pensé que le matériau nébulaire devait être de composition élémentaire, toutes les molécules restantes des premiers stades de la vie de l'étoile étant détruites par les photons énergétiques de la naine blanche.

En totale contradiction avec ces prédictions du modèle, Les observations menées par Schmidt dans le cadre de son travail de thèse à l'Université de l'Arizona ont mis au jour une multitude d'espèces moléculaires inhabituelles dans plus de 25 nébuleuses planétaires.

Ces résultats démontrent sans ambiguïté que les molécules sont des composants importants de la composition des nébuleuses planétaires, et ils peuvent par la suite "polluer" le milieu interstellaire diffus. Historiquement, les astronomes ont eu du mal à expliquer les abondances des molécules polyatomiques observées dans les gaz diffus, car il n'y a pas assez de matière dense pour les créer sur une échelle de temps réaliste. Les découvertes de Schmidt et al. propose une nouvelle solution à ce dilemme permanent.

Les observations moléculaires de ces nébuleuses planétaires offrent également un aperçu unique des réactions nucléaires qui se sont produites dans l'étoile progénitrice, et les éléments et leurs différents noyaux qui ont été produits. En effet, les observations aux longueurs d'onde radio et millimétriques sont effectuées avec la résolution spectrale la plus élevée, permettant de distinguer clairement les molécules avec différents éléments et isotopes.

Schmidt et ses collègues ont découvert que les molécules qu'ils ont trouvées indiquent si l'étoile progénitrice était riche en carbone, par exemple. Par ailleurs, ils ont pu mesurer les rapports d'abondance entre l'élément principal et ses formes plus rares, tels que 12C/13C ou 14N/15N. De tels rapports sont connus pour être des sondes sensibles des processus qui se sont produits profondément dans l'étoile avant sa mort, et ont été utilisés comme l'un des rares "benchmarks" pour tester la modélisation stellaire. Maintenant, pour la première fois, ils peuvent être mesurés avec précision dans les nébuleuses planétaires, donnant un « instantané » des étapes finales de la star.

Qu'ont révélé les observations dans les nébuleuses planétaires ? Beaucoup de carbone, d'abord, avec des abondances élevées de 13C, et dans une nébuleuse, K4-47, des quantités extrêmement élevées de 15N et de 17O, plus élevées que partout ailleurs dans l'univers (Schmidt et al. 2018). Les fortes concentrations de 13C, 15N, et 17O observés dans les nébuleuses planétaires n'ont pas été prédits par des modèles d'étoiles mourantes.

Spécifiquement, Schmidt et ses collaborateurs suggèrent que les étoiles progénitrices de ces nébuleuses planétaires ont peut-être subi un événement inattendu alors qu'elles faisaient leurs derniers "halètements" - un éclair de coquille d'hélium, dans lequel le carbone chaud du plus profond de l'étoile est soufflé vers la surface stellaire. Dans la violente explosion qui se produit, 13C, 15N, et 17O sont créés et éjectés de l'étoile. Un tel processus énergétique peut également expliquer les géométries bipolaires et multipolaires inhabituelles typiquement présentées par les nébuleuses planétaires, en leur donnant leurs formes de « sablier » et de « trèfle ».

Les étoiles mourantes produisent également des grains de poussière. Certains de ces grains ont en fait fait leur chemin vers notre système solaire, où des chercheurs tels que le collaborateur Thomas Zega les extraient de météorites vierges. Les isotopes élémentaires peuvent être mesurés dans ces grains dits « présolaires », fournissant une pierre de Rosette de leur histoire. Certains de ces grains se sont avérés présenter systématiquement un faible 12C/13C, 14N/15N, et les rapports 16O/17O - un casse-tête pour les cosmochimistes, car ces ratios ne peuvent pas être expliqués par des modèles normaux.

Faute d'une meilleure explication, il a été supposé que ces grains atypiques provenaient de novae, un type d'explosion thermonucléaire qui se produit à la surface des restes stellaires de faible masse dans les systèmes binaires. Leurs ratios inhabituels, cependant, correspondent à ceux trouvés dans K4-47, suggérant que les nébuleuses planétaires sont leurs véritables lieux de naissance.

Les nébuleuses planétaires fournissent la majeure partie de la matière trouvée dans l'espace interstellaire, ce qui conduit par la suite à des systèmes stellaires comme le nôtre. Les travaux de Schmidt et de ses collègues ont montré que ces objets contiennent des molécules cachées et des isotopes élémentaires, invisibles dans les images colorées qui les représentent. En explorant ces nouvelles, Les facettes inattendues des nébuleuses planétaires sont cruciales pour notre compréhension de l'histoire des étoiles et de l'évolution de la matière qui a formé notre système solaire.