Les astronomes ont utilisé l'instrument GRAVITY pour étudier le voisinage immédiat d'une jeune étoile plus en détail que jamais. Leurs observations confirment une théorie vieille de trente ans sur la croissance des jeunes étoiles :le champ magnétique produit par l'étoile elle-même dirige la matière d'un disque d'accrétion de gaz et de poussière environnant sur sa surface. Les résultats, publié aujourd'hui dans la revue La nature , aider les astronomes à mieux comprendre comment se forment des étoiles comme notre Soleil et comment des planètes semblables à la Terre sont produites à partir des disques entourant ces bébés stellaires.

Quand les étoiles se forment, ils commencent relativement petits et sont situés profondément à l'intérieur d'un nuage de gaz. Au cours des centaines de milliers d'années à venir, ils attirent de plus en plus le gaz environnant sur eux-mêmes, augmentant leur masse dans le processus. À l'aide de l'instrument GRAVITY, un groupe de chercheurs qui comprend des astronomes et des ingénieurs du Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), a maintenant trouvé la preuve la plus directe à ce jour de la façon dont ce gaz est canalisé sur les jeunes étoiles :il est guidé par le champ magnétique de l'étoile sur la surface dans une colonne étroite.

Les échelles de longueur pertinentes sont si petites que même avec les meilleurs télescopes actuellement disponibles, aucune image détaillée du processus n'est possible. Toujours, utilisant les dernières technologies d'observation, les astronomes peuvent au moins glaner quelques informations. Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé le pouvoir de résolution extrêmement élevé de l'instrument appelé GRAVITY. Il combine quatre télescopes VLT de 8 mètres de l'Observatoire européen austral (ESO) à l'observatoire de Paranal au Chili dans un télescope virtuel qui peut distinguer les petits détails ainsi qu'un télescope avec un miroir de 100 mètres.

En utilisant GRAVITY, les chercheurs ont pu observer la partie interne du disque de gaz entourant l'étoile TW Hydrae. "Cette étoile est spéciale car elle est très proche de la Terre à seulement 196 années-lumière, et le disque de matière entourant l'étoile nous fait directement face, " dit Rebeca García López (Institut Max Planck d'astronomie, Dublin Institute for Advanced Studies et University College Dublin), auteur principal et scientifique de premier plan de cette étude. "Cela en fait un candidat idéal pour sonder comment la matière d'un disque formant une planète est canalisée vers la surface stellaire."

L'observation a permis aux astronomes de montrer que le rayonnement proche infrarouge émis par l'ensemble du système provient en effet de la région la plus interne, où l'hydrogène gazeux tombe sur la surface de l'étoile. Les résultats pointent clairement vers un processus connu sous le nom d'accrétion magnétosphérique, C'est, matière entrante guidée par le champ magnétique de l'étoile.

Naissance stellaire et croissance stellaire

Une étoile naît lorsqu'une région dense au sein d'un nuage de gaz moléculaire s'effondre sous sa propre gravité, devient considérablement plus dense, chauffe dans le processus, jusqu'à ce que finalement la densité et la température dans la protoétoile résultante soient si élevées que la fusion nucléaire de l'hydrogène en hélium commence. Pour les protoétoiles jusqu'à environ deux fois la masse du Soleil, les quelques dizaines de millions d'années précédant directement l'allumage de la fusion nucléaire proton-proton constituent la phase dite T Tauri (du nom de la première étoile observée de ce type, T Tauri dans la constellation du Taureau).

Les étoiles que nous voyons dans cette phase de leur développement, connu sous le nom d'étoiles T Tauri, brille assez fort, en particulier en lumière infrarouge. Ces "jeunes objets stellaires" (YSO) n'ont pas encore atteint leur masse finale :ils sont entourés des restes du nuage dont ils sont nés, en particulier par le gaz qui s'est contracté dans un disque circumstellaire entourant l'étoile. Dans les régions extérieures de ce disque, la poussière et le gaz s'agglutinent et forment des corps de plus en plus gros, qui finiront par devenir des planètes. De grandes quantités de gaz et de poussière de la région du disque interne, d'autre part, sont attirés sur l'étoile, augmentant sa masse. Enfin et surtout, le rayonnement intense de l'étoile chasse une partie considérable du gaz sous forme de vent stellaire.

Lignes directrices vers la surface :le champ magnétique de l'étoile

Naïvement, on pourrait penser que transporter du gaz ou de la poussière sur un massif, corps gravitationnel est facile. Au lieu, il s'avère que ce n'est pas si simple du tout. En raison de ce que les physiciens appellent la conservation du moment cinétique, il est beaucoup plus naturel qu'un objet, qu'il s'agisse d'une planète ou d'un nuage de gaz, orbite autour d'une masse plutôt que de tomber directement sur sa surface. One reason why some matter nonetheless manages to reach the surface is a so-called accretion disk, in which gas orbits the central mass. There is plenty of internal friction inside that continually allows some of the gas to transfer its angular momentum to other portions of gas and move further inward. Yet, at a distance from the star of less than 10 times the stellar radius, the accretion process gets more complex. Traversing that last distance is tricky.

Thirty years ago, Max Camenzind, at the Landessternwarte Königstuhl (which has since become a part of the University of Heidelberg), proposed a solution to this problem. Stars typically have magnetic fields—those of our Sun, par exemple, regularly accelerate electrically charged particles in our direction, leading to the phenomenon of Northern or Southern lights. In what has become known as magnetospheric accretion, the magnetic fields of the young stellar object guide gas from the inner rim of the circumstellar disk to the surface in distinct column-like flows, helping them to shed angular momentum in a way that allows the gas to flow onto the star.

In the simplest scenario, the magnetic field looks similar to that of the Earth. Gas from the inner rim of the disk would be funneled to the magnetic North and to the magnetic South pole of the star.

Checking up on magnetospheric accretion

Having a model that explains certain physical processes is one thing. Cependant, it is important to be able to test that model using observations. But the length scales in question are of the order of stellar radii, very small on astronomical scales. Jusque récemment, such length scales were too small, even around the nearest young stars, for astronomers to be able to take a picture showing all relevant details.

First indication that magnetospheric accretion is indeed present came from examining the spectra of some T Tauri stars. Spectra of gas clouds contain information about the motion of the gas. For some T Tauri stars, spectra revealed disk material falling onto the stellar surface with velocities as high as several hundred kilometers per second, providing indirect evidence for the presence of accretion flows along magnetic field lines. In a few cases, the strength of the magnetic field close to a T Tauri star could be directly measured by a combining high-resolution spectra and polarimetry, which records the orientation of the electromagnetic waves we receive from an object.

Plus récemment, instruments have become sufficiently advanced—more specifically:have reached sufficiently high resolution, a sufficiently good capability to discern small details—so as to allow direct observations that provide insights into magnetospheric accretion.

The instrument GRAVITY plays a key role here. It was developed by a consortium that includes the Max Planck Institute for Astronomy, led by the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. In operation since 2016, GRAVITY links the four 8-meter-telescopes of the VLT, located at the Paranal observatory of the European Southern Observatory (ESO). The instrument uses a special technique known as interferometry. The result is that GRAVITY can distinguish details so small as if the observations were made by a single telescope with a 100-m mirror.

Catching magnetic funnels in the act

In the Summer of 2019, a team of astronomers led by Jerome Bouvier of the University of Grenobles Alpes used GRAVITY to probe the inner regions of the T Tauri Star with the designation DoAr 44. It denotes the 44th T Tauri star in a nearby star forming region in the constellation Ophiuchus, catalogued in the late 1950s by the Georgian astronomer Madona Dolidze and the Armenian astronomer Marat Arakelyan. The system in question emits considerable light at a wavelength that is characteristic for highly excited hydrogen. Energetic ultraviolet radiation from the star ionizes individual hydrogen atoms in the accretion disk orbiting the star.

The magnetic field then influences the electrically charged hydrogen nuclei (each a single proton). The details of the physical processes that heat the hydrogen gas as it moves along the accretion current towards the star are not yet understood. The observed greatly broadened spectral lines show that heating occurs.

For the GRAVITY observations, the angular resolution was sufficiently high to show that the light was not produced in the circumstellar disk, but closer to the star's surface. De plus, the source of that particular light was shifted slightly relative to the centre of the star itself. Both properties are consistent with the light being emitted near one end of a magnetic funnel, where the infalling hydrogen gas collides with the surface of the star. Those results have been published in an article in the journal Astronomie &Astrophysique .

The new results, which have now been published in the journal La nature , go one step further. Dans ce cas, the GRAVITY observations targeted the T Tauri star TW Hydrae, a young star in the constellation Hydra. They are based on GRAVITY observations of the T Tauri star TW Hydrae, a young star in the constellation Hydra. It is probably the best-studied system of its kind.

Too small to be part of the disk

With those observations, Rebeca García López and her colleagues have pushed the boundaries even further inwards. GRAVITY could see the emissions corresponding to the line associated with highly excited hydrogen (Brackett-γ, Brγ) and demonstrate that they stem from a region no more than 3.5 times the radius of the star across (about 3 million km, or 8 times the distance the distance between the Earth and the Moon).

This is a significant difference. According to all physics-based models, the inner rim of a circumstellar disk cannot possibly be that close to the star. If the light originates from that region, it cannot be emitted from any section of the disk. At that distance, the light also cannot be due to a stellar wind blown away by the young stellar object—the only other realistic possibility. Pris ensemble, what is left as a plausible explanation is the magnetospheric accretion model.

What's next?

In future observations, again using GRAVITY, the researchers will try to get data that allows them a more detailed reconstruction of physical processes close to the star. "By observing the location of the funnel's lower endpoint over time, we hope to pick up clues as to how distant the magnetic North and South poles are from the star's axis of rotation, " explains Wolfgang Brandner, co-author and scientist at MPIA. If North and South Pole directly aligned with the rotation axis, their position over time would not change at all.

They also hope to pick up clues as to whether the star's magnetic field is really as simple as a North Pole–South Pole configuration. "Magnetic fields can be much more complicated and have additional poles, " explains Thomas Henning, Director at MPIA. "The fields can also change over time, which is part of a presumed explanation for the brightness variations of T Tauri stars."

En tout, this is an example of how observational techniques can drive progress in astronomy. Dans ce cas, the new observational techniques embody in GRAVITY were able to confirm ideas about the growth of young stellar objects that were proposed as long as 30 years ago. And future observations are set to help us understand even better how baby stars are being fed.