Cette impression d'artiste de différentes étoiles de masse; des plus petites "naines rouges", pesant environ 0,1 masse solaire, aux étoiles massives « bleues » pesant environ 10 à 100 masses solaires. Alors que les naines rouges sont les étoiles les plus abondantes de l'Univers, ce sont les étoiles bleues massives qui contribuent le plus à l'évolution des amas d'étoiles et des galaxies. Crédit :ESO/M. Kornmesser
Les étoiles massives sont celles dont la taille dépasse environ 10 fois la masse du soleil et naissent beaucoup moins souvent que leurs homologues de faible masse. Cependant, ils contribuent le plus à l'évolution des amas d'étoiles et des galaxies. Les étoiles massives sont les précurseurs de nombreux phénomènes vifs et énergétiques dans l'univers, y compris l'enrichissement de leur environnement par des explosions de supernova et la modification de la dynamique de leurs systèmes.
Le meilleur outil pour étudier les étoiles massives sont des codes d'évolution stellaire détaillés :des programmes informatiques qui calculent à la fois la structure intérieure et l'évolution de ces étoiles. Malheureusement, les codes détaillés sont coûteux en temps et en temps de calcul — cela peut prendre plusieurs heures pour calculer l'évolution d'une seule étoile. Pour cette raison, il est peu pratique d'utiliser ces codes pour modéliser des étoiles dans des systèmes complexes tels que des amas d'étoiles globulaires, qui peut contenir des millions d'étoiles en interaction.
Pour résoudre ce problème, une équipe de scientifiques dirigée par le Centre d'excellence de l'ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) a développé un code d'évolution stellaire appelé MEthod of Interpolation for Single Star Evolution (METISSE). L'interpolation est une méthode d'estimation d'une quantité basée sur des valeurs proches, comme estimer la taille d'une étoile en fonction de la taille des étoiles de masses similaires. Par interpolation, METISSE calcule rapidement les propriétés d'une étoile à tout instant en utilisant des modèles stellaires sélectionnés calculés avec des codes d'évolution stellaire détaillés.
Rapide comme l'éclair, METISSE peut évoluer 10, 000 étoiles en moins de trois minutes. Plus important encore, il peut utiliser des ensembles de modèles stellaires pour prédire les propriétés des étoiles, ce qui est extrêmement important pour les étoiles massives. Les étoiles massives sont rares, et leurs durées de vie complexes et courtes rendent difficile le calcul de leurs propriétés. Par conséquent, les codes d'évolution stellaire détaillés doivent souvent faire des hypothèses lors du calcul de l'évolution de ces étoiles. Les différences dans les hypothèses utilisées par les différents codes d'évolution stellaire peuvent avoir un impact significatif sur leurs prédictions sur la vie et les propriétés des étoiles massives.
Cette illustration montre comment une étoile massive fusionne des éléments de plus en plus lourds jusqu'à exploser en tant que supernova et répandre ces éléments dans l'espace. Crédit :NASA, ESA, et L. Hustak (STScI)
Dans leur étude récemment publiée, les chercheurs d'OzGrav ont utilisé METISSE avec deux ensembles de modèles stellaires de pointe :l'un calculé par les Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA), et l'autre par le Bonn Evolutionary Code (BEC).
Poojan Agrawal, chercheur d'OzGrav et auteur principal de l'étude, explique :"Nous avons interpolé des étoiles qui étaient entre neuf et 100 fois la masse du soleil et comparé les prédictions pour les destins finaux de ces étoiles. Pour la plupart des étoiles massives de notre ensemble, nous avons découvert que les masses des restes stellaires (étoiles à neutrons ou trous noirs) peuvent varier jusqu'à 20 fois la masse de notre soleil."
Lorsque les restes stellaires fusionnent, ils créent des ondes gravitationnelles - des ondulations dans l'espace et le temps - que les scientifiques peuvent détecter. Par conséquent, les résultats de cette étude auront un impact énorme sur les futures prédictions de l'astronomie des ondes gravitationnelles.
Agrawal ajoute :« METISSE n'est que la première étape pour découvrir le rôle que jouent les étoiles massives dans les systèmes stellaires tels que les amas d'étoiles, et déjà, les résultats sont très excitants."
