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En juillet, une nouvelle image déroutante d’un système stellaire extrême lointain entouré de parcours géométriques concentriques surréalistes a même fait se gratter la tête aux astronomes. L’image, qui ressemble à une sorte « d’empreinte cosmique », provient du télescope spatial James Webb, le plus récent observatoire phare de la NASA.
Internet s’est immédiatement illuminé de théories et de spéculations. Certains en marge de la nature l’ont même revendiqué comme preuve de « mégastructures extraterrestres » d’origine inconnue.
Heureusement, notre équipe de l’Université de Sydney étudiait déjà cette même étoile, connue sous le nom de WR140, depuis plus de 20 ans – nous étions donc dans une position privilégiée pour utiliser la physique pour interpréter ce que nous voyions.
Notre modèle, publié dans Nature, explique l’étrange processus par lequel l’étoile produit l’éblouissant motif d’anneaux observé sur l’image de Webb (elle-même maintenant publiée dans Nature Astronomy).
Les secrets du WR140
WR140 est ce qu’on appelle une étoile Wolf-Rayet. Ce sont parmi les étoiles les plus extrêmes connues. Dans un affichage rare mais magnifique, ils peuvent parfois émettre un panache de poussière dans l’espace s’étendant sur des centaines de fois la taille de l’ensemble de notre système solaire.
Le champ de rayonnement autour de Wolf-Rayets est si intense que la poussière et le vent sont balayés vers l’extérieur à des milliers de kilomètres par seconde, soit environ 1 % de la vitesse de la lumière. Alors que toutes les étoiles ont des vents stellaires, ces surperformants conduisent quelque chose qui ressemble plus à un ouragan stellaire.
De manière critique, ce vent contient des éléments tels que le carbone qui s’échappent pour former de la poussière.
WR140 est l’une des rares étoiles poussiéreuses Wolf-Rayet trouvées dans un système binaire. Elle est en orbite avec une autre étoile, qui est elle-même une supergéante bleue massive avec un vent féroce qui lui est propre.
Seule une poignée de systèmes comme WR140 sont connus dans toute notre galaxie, mais ces quelques privilégiés offrent le cadeau le plus inattendu et le plus beau aux astronomes. La poussière ne s’écoule pas simplement de l’étoile pour former une boule brumeuse comme on pourrait s’y attendre ; au lieu de cela, il se forme uniquement dans une zone en forme de cône où les vents des deux étoiles se heurtent.
Parce que l’étoile binaire est en mouvement orbital constant, ce front de choc doit également tourner. Le panache de suie s’enroule alors naturellement en spirale, à la manière du jet d’un arroseur rotatif de jardin.
Le WR140, cependant, a quelques astuces supplémentaires dans sa manche pour ajouter une complexité plus riche à son affichage voyant. Les deux étoiles ne sont pas sur des orbites circulaires mais elliptiques, et de plus, la production de poussière s’allume et s’éteint épisodiquement lorsque le binaire se rapproche et commence le point d’approche le plus proche.
Un modèle presque parfait
En modélisant tous ces effets dans la géométrie tridimensionnelle du panache de poussière, notre équipe a suivi l’emplacement des éléments de poussière dans l’espace tridimensionnel.
En marquant soigneusement les images du flux en expansion prises à l’observatoire Keck à Hawaï, l’un des plus grands télescopes optiques du monde, nous avons trouvé que notre modèle du flux en expansion correspondait presque parfaitement aux données.
Sauf pour un reproche. Tout près de l’étoile, la poussière n’était pas là où elle était censée être. La poursuite de cette inadéquation mineure s’est avérée nous mener directement à un phénomène jamais filmé auparavant.
Le pouvoir de la lumière
Nous savons que la lumière est porteuse d’élan, ce qui signifie qu’elle peut exercer une poussée sur la matière appelée pression de rayonnement. Le résultat de ce phénomène, sous la forme d’une matière en roue libre à grande vitesse autour du cosmos, est évident partout.
Mais cela a été un processus remarquablement difficile à prendre en flagrant délit. La force s’estompe rapidement avec la distance, donc pour voir la matière accélérée, vous devez suivre très précisément le mouvement de la matière dans un champ de rayonnement puissant.
Cette accélération s’est avérée être le seul élément manquant dans les modèles pour WR140. Nos données ne correspondaient pas parce que la vitesse d’expansion n’était pas constante : la poussière recevait un coup de pouce de la pression de rayonnement.
Attraper cela pour la première fois devant la caméra était quelque chose de nouveau. A chaque orbite, c’est comme si l’étoile déployait une voile géante faite de poussière. Lorsqu’elle capte le rayonnement intense qui s’écoule de l’étoile, comme un yacht en train de goûter, la voile poussiéreuse fait un bond en avant soudain.
Anneaux de fumée dans l’espace
Le résultat final de toute cette physique est d’une beauté saisissante. Comme un jouet mécanique, le WR140 produit des anneaux de fumée sculptés avec précision à chaque orbite de huit ans.
Chaque anneau est gravé de toute cette merveilleuse physique écrite dans le détail de sa forme. Tout ce que nous avons à faire est d’attendre et le vent en expansion gonfle la coquille de poussière comme un ballon jusqu’à ce qu’elle soit assez grande pour que nos télescopes puissent l’imager.
Puis, huit ans plus tard, le binaire revient sur son orbite et une autre coquille apparaît identique à la précédente, grandissant à l’intérieur de la bulle de son prédécesseur. Les coquillages continuent de s’accumuler comme un ensemble fantomatique de poupées gigognes géantes.
Cependant, la véritable mesure dans laquelle nous avions trouvé la bonne géométrie pour expliquer ce système stellaire intrigant ne nous a pas été révélée avant l’arrivée de la nouvelle image Webb en juin.
Ici, il n’y avait pas un ou deux, mais plus de 17 coquillages magnifiquement sculptés, chacun étant une réplique presque exacte niché dans celui qui le précédait.
Cela signifie que la coque la plus ancienne et la plus externe visible sur l’image Webb doit avoir été lancée environ 150 ans avant la coque la plus récente, qui en est encore à ses balbutiements et s’éloigne de la paire d’étoiles lumineuses entraînant la physique au cœur du système.
Avec leurs panaches spectaculaires et leurs feux d’artifice sauvages, les Wolf-Rayets ont livré l’une des images les plus intrigantes et les plus complexes jamais publiées par le nouveau télescope Webb.
C’était l’une des premières images prises par Webb. Les astronomes sont tous sur le bord de nos sièges, attendant quelles nouvelles merveilles cet observatoire nous apportera.
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