Depuis plus de 400 ans, les astronomes professionnels et amateurs se sont particulièrement intéressés à l'observation des étoiles Mira, une classe de géants rouges variables célèbres pour les pulsations qui durent de 80 à 1 000 jours et font varier leur luminosité apparente d'un facteur dix. ou plus pendant un cycle.
Une équipe internationale d'astronomes dirigée par Guy Perrin de l'Observatoire de Paris / LESIA (Meudon, France) et Stephen Ridgway de l'Observatoire national d'astronomie optique (Tucson, Arizona, USA) a utilisé des techniques interférométriques pour observer les environnements proches de cinq étoiles Mira, et ont été surpris de constater que les étoiles sont entourées d'une coque presque transparente de vapeur d'eau, et peut-être de monoxyde de carbone et d'autres molécules. Cette coquille donne aux étoiles une taille apparemment trompeuse. En pénétrant à travers cette couche en utilisant la lumière combinée de plusieurs télescopes, l'équipe a constaté que les étoiles Mira ne sont probablement que la moitié de la taille que l'on croyait auparavant.
«Cette découverte résout les incohérences persistantes entre les observations de la taille des étoiles Mira et les modèles décrivant leur composition et leurs pulsations, qui peuvent maintenant être considérés comme généralement en accord les uns avec les autres». Explique Ridgway. "L'image révisée est que les étoiles Mira sont des étoiles très lumineuses mais relativement normales de la branche géante asymptotique, mais elles ont une pulsation résonante qui entraîne leur grande variabilité."
Les étoiles de Mira sont particulièrement intéressantes car elles sont de taille similaire au Soleil et elles subissent un stade avancé du même chemin évolutif que toutes les étoiles de masse solaire, y compris le Soleil, connaîtront. Par conséquent, ces étoiles illustrent le sort de notre Soleil dans cinq milliards d'années. Si une telle étoile, y compris sa coquille environnante, était située à la position du Soleil dans notre système solaire, sa coquille vaporeuse s'étendrait au-delà de l'orbite de Mars.
Bien qu'elles soient vraiment très grandes de diamètre (jusqu'à quelques centaines de rayons solaires), les étoiles géantes rouges sont ponctuelles aux yeux humains sans aide sur Terre, et même les plus grands télescopes ne parviennent pas à distinguer leurs surfaces. Ce défi peut être surmonté en combinant les signaux de télescopes séparés en utilisant une technique appelée interférométrie astronomique qui permet d'étudier de très petits détails dans l'environnement proche des étoiles Mira. En fin de compte, les images des étoiles observées peuvent être reconstruites.
Les étoiles Mira sont nommées d'après le premier objet connu, Mira (ou Omicron Ceti). Une explication possible de leur grande variabilité est que de grandes quantités de matière, y compris de la poussière et des molécules, sont produites au cours de chaque cycle. Ce matériau bloque une grande partie du rayonnement stellaire sortant, jusqu'à ce que le matériau soit dilué par expansion. L'environnement proche des étoiles de Mira est donc très complexe, et les caractéristiques de l'objet central sont difficiles à observer.
Pour étudier l'environnement proche de ces étoiles, l'équipe dirigée par Perrin et Ridgway a effectué des observations au réseau de télescopes optiques infrarouges (IOTA) du Smithsonian Astrophysical Observatory en Arizona. IOTA est un interféromètre stellaire de Michelson, avec deux bras formant un réseau en forme de L. Il fonctionne avec trois collecteurs qui peuvent être situés à différentes stations sur chaque bras. Dans la présente étude, des observations ont été faites à plusieurs longueurs d'onde en utilisant différents espacements de télescopes allant de 10 à 38 mètres.
À partir de ces observations, l'équipe a pu reconstruire la variation de la luminosité stellaire à la surface de chaque étoile. Des détails jusqu'à environ 10 milli-secondes d'arc peuvent être détectés. À titre de comparaison, à la distance de la Lune, cela correspondrait à voir des entités mesurant jusqu'à 20 mètres.
Les observations ont été faites à des longueurs d'onde proche infrarouge qui présentent un intérêt particulier pour l'étude de la vapeur d'eau et du monoxyde de carbone. Le rôle joué par ces molécules a été suspecté il y a quelques années par l'équipe et confirmé de manière indépendante par des observations avec l'Observatoire Infrarouge de l'Espace. Les nouvelles observations utilisant IOTA démontrent clairement que les étoiles Mira sont entourées d'une couche moléculaire de vapeur d'eau et, au moins dans certains cas, de monoxyde de carbone. Cette couche a une température d'environ 2 000 K et s'étend jusqu'à environ un rayon stellaire au-dessus de la photosphère stellaire, soit environ 50% du diamètre observé des étoiles Mira dans l'échantillon.
Des études interférométriques antérieures d'étoiles Mira ont conduit à des estimations de diamètres d'étoiles qui étaient biaisés par la présence de la couche moléculaire, et étaient donc beaucoup surestimés. Ce nouveau résultat montre que les étoiles Mira sont environ la moitié de la taille qu'on croyait auparavant.
Les nouvelles observations présentées par l'équipe sont interprétées dans le cadre d'un modèle qui comble le fossé entre observations et théorie. L'espace entre la surface de l'étoile et la couche moléculaire contient très probablement du gaz, comme une atmosphère, mais il est relativement transparent aux longueurs d'onde observées. En lumière visible, la couche moléculaire est plutôt opaque, donnant l'impression qu'il s'agit d'une surface, mais dans l'infrarouge, elle est mince et l'étoile peut être vue à travers elle.
Ce modèle est le premier à expliquer la structure des étoiles Mira sur une large gamme de longueurs d'onde spectrales du visible au moyen infrarouge et à être cohérent avec les propriétés théoriques de leur pulsation. Cependant, la présence de la couche de molécules bien au-dessus de la surface stellaire est encore quelque peu mystérieuse. La couche est trop haute et dense pour être supportée uniquement par la pression atmosphérique. Les pulsations de l'étoile jouent probablement un rôle dans la production de la couche moléculaire, mais le mécanisme n'est pas encore compris.
Comme les étoiles Mira représentent un stade évolutif tardif des étoiles semblables à celles du Soleil, il sera très intéressant de mieux décrire les processus qui se produisent à l'intérieur et autour d'elles, comme préfigurant le destin attendu du Soleil dans un avenir lointain. Les étoiles Mira éjectent de grandes quantités de gaz et de poussière dans l'espace, généralement environ un tiers de la masse terrestre par an, fournissant ainsi plus de 75% des molécules de la galaxie. Le carbone, l'azote, l'oxygène et d'autres éléments dont nous sommes faits ont été principalement produits à l'intérieur de ces étoiles (avec des éléments plus lourds provenant des supernovae), puis sont renvoyés dans l'espace via cette perte de masse pour faire partie de nouvelles étoiles et planètes . La technique de maturation de l'interférométrie révèle des détails de l'atmosphère de Mira, rapprochant les scientifiques de l'observation et de la compréhension de la production et de l'éjection des molécules et de la poussière, alors que ces étoiles recylent leur contenu à l'échelle astronomique.
L'article «Dévoiler les étoiles de Mira derrière les molécules: confirmation du modèle de couche moléculaire avec interférométrie proche infrarouge à bande étroite» par Perrin et al., paraîtra dans un prochain numéro de la revue Astronomy & Astrophysics.
Source d'origine: communiqué de presse de NOAO
