Des panaches de poussière observés étant « poussés » dans l’espace interstellaire par une lumière intense des étoiles


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  • Les résultats, réalisés à partir d’images infrarouges du système stellaire binaire WR140 prises sur 16 ans, sont rapportés dans la revue La nature.

    Dans une étude complémentaire de WR140, publiée dans Astronomie naturelle, Le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA a pu voir beaucoup plus profondément pour prendre une image non seulement d’un seul panache de poussière en accélération, mais de près de 20 d’entre eux, imbriqués les uns dans les autres comme un ensemble géant de peaux d’oignons.

    WR140 est composé d’une énorme étoile Wolf-Rayet et d’une étoile supergéante bleue encore plus grande, liées gravitationnellement sur une orbite de huit ans. Cette étoile binaire, dans la constellation du Cygne, est surveillée depuis deux décennies avec l’un des plus grands télescopes optiques du monde à l’observatoire Keck à Hawaï.

    WR140 gonfle épisodiquement des panaches de poussière s’étendant sur des milliers de fois la distance de la Terre au Soleil. Ces panaches de poussière, produits tous les huit ans, offrent aux astronomes une occasion unique d’observer comment la lumière des étoiles peut affecter la matière.

    On sait que la lumière transporte de l’élan, exerçant une poussée sur la matière connue sous le nom de pression de rayonnement. Les astronomes sont souvent témoins du résultat de ce phénomène sous la forme d’une matière se déplaçant à grande vitesse autour du cosmos, mais cela a été un processus difficile à prendre en flagrant délit. L’enregistrement direct de l’accélération due à des forces autres que la gravité est rarement observé, et jamais dans un environnement stellaire comme celui-ci.

    « Il est difficile de voir la lumière des étoiles provoquer une accélération car la force s’estompe avec la distance et d’autres forces prennent rapidement le dessus », a déclaré Yinuo Han de l’Institut d’astronomie de Cambridge, premier auteur de l’étude. La nature papier. « Pour assister à une accélération au niveau où elle devient mesurable, le matériau doit être raisonnablement proche de l’étoile ou la source de la pression de rayonnement doit être très forte. WR140 est une étoile binaire dont le champ de rayonnement féroce amplifie ces effets, les plaçant à portée de nos données de haute précision. »

    Toutes les étoiles génèrent des vents stellaires, mais ceux des étoiles Wolf-Rayet peuvent ressembler davantage à un ouragan stellaire. Des éléments tels que le carbone dans le vent se condensent sous forme de suie, qui reste suffisamment chaude pour briller dans l’infrarouge. Comme la fumée dans le vent, cela donne aux télescopes quelque chose qui peut être observé.

    L’équipe a utilisé une technologie d’imagerie connue sous le nom d’interférométrie, capable d’agir comme un zoom pour le miroir du télescope Keck de 10 mètres, permettant aux chercheurs de récupérer des images suffisamment nettes de WR140 pour l’étude.

    Han et son équipe ont découvert que la poussière ne sortait pas de l’étoile avec le vent dans une boule brumeuse. Au lieu de cela, la poussière se forme là où les vents des deux étoiles se heurtent, à la surface d’un front de choc en forme de cône entre elles.

    Parce que l’étoile binaire en orbite est en mouvement constant, le front de choc tourne également. Le panache de suie est enveloppé dans une spirale, de la même manière que les gouttelettes forment une spirale dans un arroseur de jardin.

    Les chercheurs ont découvert que le WR140 avait d’autres atouts dans sa manche. Les deux étoiles ne sont pas sur des orbites circulaires mais plutôt elliptiques, et la production de poussière s’allume et s’éteint lorsque le binaire s’approche et s’éloigne du point d’approche le plus proche. En modélisant ces effets dans la géométrie tridimensionnelle du panache de poussière, les astronomes ont pu mesurer l’emplacement des caractéristiques de la poussière dans l’espace tridimensionnel.

    « Comme sur des roulettes, cette étoile souffle des ronds de fumée sculptés tous les huit ans, avec toute cette merveilleuse physique écrite puis gonflée dans le vent comme une bannière à lire », a déclaré le co-auteur, le professeur Peter Tuthill de l’Université de Sydney. « Huit ans plus tard, alors que le binaire revient sur son orbite, un autre apparaît identique au précédent, s’écoulant dans l’espace à l’intérieur de la bulle du précédent, comme un ensemble de poupées russes imbriquées géantes. »

    Parce que la poussière produite par ce Wolf-Rayet est si prévisible et s’étend sur de si grandes distances, elle a offert aux astronomes un laboratoire unique pour examiner la zone d’accélération.

    « En l’absence de forces externes, chaque spirale de poussière devrait se dilater à une vitesse constante », a déclaré Han, qui est également co-auteur de l’article du JWST. « Nous étions d’abord perplexes parce que nous ne pouvions pas faire correspondre notre modèle aux observations, jusqu’à ce que nous réalisions finalement que nous voyions quelque chose de nouveau. Les données ne correspondaient pas parce que la vitesse d’expansion n’était pas constante, mais plutôt qu’elle s’accélérait. Nous avions filmé cela pour la première fois devant la caméra. »

    « Dans un sens, nous avons toujours su que cela devait être la raison de l’écoulement, mais je n’aurais jamais imaginé que nous serions capables de voir la physique à l’œuvre comme ça », a déclaré Tuthill. « Quand je regarde les données maintenant, je vois le panache du WR140 dérouler comme une voile géante faite de poussière. Lorsqu’il capte le vent de photons provenant de l’étoile, comme un yacht qui attrape une rafale, il fait un bond en avant soudain. »

    Maintenant que JWST est opérationnel, les chercheurs peuvent en apprendre beaucoup plus sur le WR140 et les systèmes similaires. « Le télescope Webb offre de nouveaux extrêmes de stabilité et de sensibilité », a déclaré Ryan Lau, qui a dirigé l’étude JWST. « Nous pourrons désormais faire des observations comme celle-ci beaucoup plus facilement que depuis le sol, ouvrant une nouvelle fenêtre sur le monde de la physique de Wolf-Rayet. »

    La recherche a été financée en partie par le Gates Cambridge Trust.

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