Étoile Wolf-Rayet

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Image du télescope spatial Hubble de la nébuleuse M1-67 autour de l'étoile Wolf-Rayet WR124

Une étoile Wolf-Rayet est une étoile chaude, massive et évoluée présentant un taux de perte de masse très élevé dû à un fort vent stellaire (semblable au vent solaire). Elles furent découvertes en 1867 par Charles Wolf et Georges Rayet, de l'Observatoire de Paris^[1]. Wolf et Rayet avaient observé, dans 3 étoiles de la constellation du Cygne, d'étranges raies en émission. D'ailleurs, le prototype de telles étoiles dans notre Galaxie s'appelle P Cygni (étoile P dans la constellation du Cygne). On pense que les étoiles Wolf-Rayet sont les descendantes des étoiles massives de type spectral O ou B, c'est-à-dire les étoiles initialement les plus massives (qui ont une masse comprise entre 9 et 80-150 masses solaires)^[2]. On parle d'une « étoile Wolf-Rayet » pour dire une étoile « de type Wolf-Rayet », plutôt qu'une « étoile de Wolf-Rayet » (comme on parle de l'« étoile de Barnard »).

Les étoiles Wolf-Rayet sont des étoiles qui ne sont, en grande majorité, plus sur la séquence principale, c'est-à-dire que la combustion qui se déroule dans leur cœur est la combustion de l'hélium (puis plus tard celle du carbone, puis de l'oxygène etc.), et non plus celle de l'hydrogène (comme c'est le cas des étoiles sur la séquence principale justement — voir le diagramme de Hertzsprung-Russell). En fait, on parle plus souvent du stade (évolutif) Wolf-Rayet, ou d'une étoile montrant des caractéristiques Wolf-Rayet. Dû au fait que l'étoile possède un vent stellaire important, tellement important que le vent est optiquement épais, cela n'a pas de sens de parler de surface (hydrostatique) de l'étoile comme c'est le cas d'étoiles « normales », de plus faible masse, comme le Soleil.

[modifier] Découverte

Mrs. Wolf et Rayet décrivent ainsi leur découverte :

« Parmi les nombreuses étoiles dont la lumière a été étudiée à l'aide d'un prisme, on n'en connaît qu'une seule, Gamma de Cassiopée, dont le spectre offre constamment des lignes brillantes. Nous avons l'honneur de signaler à l'Academie l'existence de semblables lignes dans trois étoiles de la constellation du Cygne… Leur spectre se compose d'un fond éclairé dont les couleurs sont à peine visibles. Tous trois présentent une série de lignes brillantes. L'identification des lignes lumineuses de ces étoiles avec celles des spectres des gaz incandescents nous a été impossible… »

(Comptes rendus de l'Académie des sciences, 1867, vol 65, p. 292)

Après leur découverte, il a fallu attendre les travaux de Peter Conti et de ses collègues, en 1983^[3] pour que les étoiles Wolf-Rayet soient identifiées comme les descendantes d'étoiles ayant une masse initiale supérieure à 40 masses solaires.

[modifier] Les étoiles les plus massives ?

C'est parmi les étoiles Wolf-Rayet qu'il faut chercher les étoiles véritablement les plus massives de l'univers. En effet, les étoiles les plus massives connue à ce jour sont des Wolf-Rayet dans notre galaxie : WR 20a, dans l'amas stellaire Westerlund 2, ainsi que NGC 3603 A1, dans l'amas NGC 3603. Il semblerait que même en étant encore sur la séquence principale (c'est-à-dire même si elle brûle encore de l'hydrogène dans le cœur), elle soit suffisamment lumineuse pour montrer des caractéristiques Wolf-Rayet, comme des raies en émission d'hydrogène et d'hélium. Bien que de nombreux travaux aient prétendu avoir trouvé l'étoile la plus massive, comme la Pistol Star, la plupart de ces études utilisent des moyens indirects de mesure de la masse. Le seul moyen direct est l'observation d'un système binaire éclipsant. Dans ce cas, l'étude de la courbe de lumière permet de trouver la valeur de l'angle d'inclinaison du système dans le ciel. Associé aux vitesses radiales, il est ainsi possible de déterminer les masses des deux composantes.

[modifier] Les étoiles binaires Wolf-Rayet

Les étoiles binaires contenant au moins une composante de type Wolf-Rayet sont l'objet de très nombreuses études. En effet, grâce au vent stellaire, de nombreux phénomènes particuliers ont lieu. Mais avant tout chose, les étoiles binaires Wolf-Rayet furent pendant un temps l'explication proposée au problème de leur nombre.

[modifier] La fréquence de binaires dans les Nuages de Magellan

Les Nuages de Magellan sont deux galaxies irrégulières naines au voisinage de notre propre Voie lactée. Elles ont la particularité d'avoir une métallicité moindre que celle dans le voisinage solaire (et qui sert de valeur de référence, notée ). La métallicité a un effet direct sur le taux de perte de masse, et donc la capacité des étoiles massives à devenir des étoiles Wolf-Rayet. Dans les années 1990, des études de populations des étoiles Wolf-Rayet ont montré qu'il était nécessaire dans les modèles de doubler de manière artificielle le taux de perte de masse pour expliquer le nombre d'étoiles Wolf-Rayet dans les Nuages de Magellan^[4]. Bien conscients que la solution de doubler le taux de perte de masse était ad hoc, il a été proposé que la fréquence d'étoiles Wolf-Rayet binaires de courte période soit plus grande à faible métallicité. Dans ce cas, l'étoile massive voyait son potentiel gravitationnel diminué par la présence d'un compagnon proche, ce qui devait lui permettre de perdre plus de matière que lors de l'évolution d'une étoile simple.

Cependant, des études ultérieures sur la quasi-totalité des 12 étoiles Wolf-Rayet du Petit Nuage de Magellan et des 134 du Grand Nuage de Magellan ont montré^[5],[6] que seulement 30 à 40 % des étoiles étaient effectivement des binaires à courte période, comme les autres étoiles et comme dans notre propre galaxie. En d'autres termes, il fallait trouver une autre explication.

L'explication donnée aujourd'hui n'est pas encore complète, mais repose sur deux ingrédients : une vitesse de rotation plus élevée à faible métallicité, et un vent structuré (clumpy, ou "poreux").

[modifier] La collision des vents

[modifier] Formation de poussières

[modifier] Le vent d'une Wolf-Rayet : clumpy ou poreux ?

[modifier] Classification spectrale

Une étoile est dite Wolf-Rayet si elle montre certaines caractéristiques spectrales précises dont la plus importante est la présence de raies d'émission larges principalement d'hélium, mais aussi d'azote, et parfois de carbone et d'oxygène. La force relative et la présence ou absence de certaines raies permet de classifier l'étoile Wolf-Rayet. La classification des étoiles Wolf-Rayet est un point toujours délicat puisque les caractéristiques spectrales observables sont le reflet de l'état du vent stellaire, et non directement de la « surface » de l'étoile ou de son cœur, inaccessible.

On distingue deux grandes classes d'étoiles Wolf-Rayet : les étoiles riches en azote, notées WN et celles riches en carbone, notées WC. De plus, on distingue encore les étoiles WN en deux sous-classes : les étoiles WNL (pour WN late en anglais, c'est-à-dire tardive), et les étoiles WNE (pour early en anglais, c'est-à-dire précoce). Cette distinction est aussi valable pour les étoiles WC mais très peu utilisée. Pour être complet, précisons que la classification précise des étoiles Wolf-Rayet se décompose entre 10 sous-types WN, de WN11 à WN2, et 7 sous-types WC, de WC9 à WC2 (mais les étoiles WC sont principalement WC9 ou WC4). La classification précise dépend de la mesure précise des forces relatives de certaines raies, comme définie dans le système de classification de Smith, Shara et Moffat (1996, MNRAS, 281, 163). Enfin, les étoiles WN11 à WN6 sont considérées comme des WNL, et les étoiles WN5 à WN2 sont considérées comme WNE.

Ceci peut paraître inutilement compliqué, mais est en fait la conséquence, comme souvent en astronomie, de raisons « historiques ». La plupart du temps, les astronomes classifient avant de comprendre. On peut utiliser cette classification pour parler de chemins évolutifs. Globalement, le chemin évolutif d'une étoile massive s'écrit ainsi :

O → RSG/LBV → WNL → WNE → WC → SN

où O désigne une étoile de type O, RSG (Red Supergiant) désigne une étoile supergéante rouge, LBV (Luminous Blue Variable) désigne une étoile de type LBV, et SN désigne une supernova. Toutes les étoiles massives ne traversent pas toutes les phases. Cela dépend de trois paramètres initiaux : la masse, la métallicité et la vitesse de rotation.

Spectre de l'étoile Wolf-Rayet WR137, de type spectral WC7.

[modifier] Évolution

Les étoiles Wolf-Rayet ont comme progéniteurs les étoiles intialement les plus massives, les étoiles O. Des étoiles moins massives ne forment pas d'étoiles Wolf-Rayet puisqu'elles ne peuvent pas atteindre le stade de la combustion de l'hélium dans le cœur. Bien que la masse initiale minimum pour former une étoile Wolf-Rayet soit connue (environ 15–25 masses solaires — cela dépend de la métallicité ambiante), on ne sait pas du tout jusqu'à quelle limite supérieure la masse initiale peut aller, s'il y en a une. Une fois que la combustion de l'hydrogène est terminée (fin de la séquence principale), la cœur se contracte, l'enveloppe se dilate et l'étoile passe par un stade intermédiaire qui peut soit être stable (RSG — supergéante rouge) soit instable (LBV). Il se peut que la combustion en couche de l'hydrogène se fasse pendant ce stade.

Ensuite, si l'étoile est suffisamment massive, la combustion de l'hélium dans le cœur démarre. Puisque cette combustion est largement plus puissante que celle de l'hydrogène, elle dégage beaucoup plus d'énergie, et est à l'origine d'un vent opaque et dense. Puisque le vent est opaque (ou optiquement épais) il n'est plus possible de distinguer la surface, et l'étoile est une Wolf-Rayet. Le vent d'une Wolf-Rayet est si fort (jusqu'à 10^-5 masses solaires par an) qu'il enlève petit à petit toutes les couches supérieures (riches en hydrogène) de l'étoile. Tant que l'étoile possède encore de l'hydrogène dans le vent, elle apparaît comme une WNL. Une fois que l'hydrogène a disparu, elle devient une WNE.

Les produits de la combustion de l'hélium sont principalement le carbone et l'oxygène. Puisque les couches supérieures de l'étoiles disparaissent, le carbone devient visible, et l'étoile devient une WC. Une fois que la combustion de l'hélium dans le cœur est terminée, c'est la combustion du carbone qui commence, dont le produit est principalement l'oxygène. Puis il s'ensuit la combustion de l'oxygène en silicium, et ainsi de suite, jusqu'au fer. Une fois le cœur de fer atteint, l'étoile explose en supernova.

[modifier] Microquasars, Gamma-Ray Bursts et compagnie

Les étoiles Wolf-Rayet peuvent donner naissance à une multitude d'objets astrophysiques très intéressants. Cela rend leur étude d'autant plus importante. On peut distinguer principalement deux grandes catégories : les résultats de l'évolution d'une étoile simple, et ceux de l'évolution d'une étoile binaire.

Une étoile Wolf-Rayet qui explose en supernova peut donner naissance à une étoile à neutrons ou un trou noir. L'apparition de l'un ou de l'autre dépend de la quantité de matière qui n'est pas éjectée par l'explosion. Si la masse de l'objet central après l'explosion est plus grande que 1,4 masses solaire, le résultat sera une étoile à neutrons. Si elle est plus grande que 3 masses solaires, le résultat sera un trou noir. Il est aussi possible que l'explosion détruise complètement l'étoile, et que toute la matière soit éjectée dans le milieu interstellaire.

Bien que la question de savoir s'il faille une étoile binaire ou non ne soit pas encore résolue, les étoiles Wolf-Rayet sont considérées comme les progéniteurs des fameux sursauts de rayons gamma ((en) «Gamma-Ray Burst»). Le modèle le plus accepté pour l'instant est le modèle du « collapsar » (du verbe collapse, s'effondrer en anglais, à ne pas confondre avec le saut collapsar). Il décrit comment l'effondrement de l'étoile en trou noir durant la supernova créé un jet à très haute énergie, et produit des rayons gamma.

Les résultats de l'évolution d'une étoile binaire Wolf-Rayet, c'est-à-dire qu'au moins l'une des deux étoiles est une Wolf-Rayet, sont peut-être encore plus intéressants puisqu'encore plus variés. Lorsque l'étoile Wolf-Rayet explose en supernova, il y a deux possibilités pour le système binaire. Soit il se détache, soit il reste attaché. Quand le système se détache, il produit alors une étoile à neutrons ou un trou noir à haute vitesse, qui part se balader dans l'espace interstellaire. La seconde étoile part dans la direction opposée. Des études récentes ont réussi à reconstruire le parcours d'une étoile à neutrons à haute vitesse, et celui d'une étoile massive. Ils ont montré que les deux objets avaient la même origine spatiale, et qu'ils avaient été formés très certainement dans l'amas d'étoiles qui se trouvait entre les deux. Cela a été fait aussi pour un trou noir, bien que cela soit largement plus difficile d'étudier un trou noir isolé dans l'espace.

Si le système reste lié, il acquiert certainement une grande vitesse spatiale due à l'explosion. Cependant, on se retrouve avec un système à courte période contenant une étoile à neutrons ou un trou noir, avec une étoile secondaire. Si l'étoile secondaire est une étoile de faible masse (quelques masses solaires), sa matière est aspirée en direction du trou noir ou de l'étoile à neutrons. Cela crée un disque d'accrétion qui spirale autour de l'objet compact, et produit beaucoup de rayons X. Lorsque l'objet compact est une étoile à neutrons, on parle de binaire X de grande masse ((en) «High-Mass X-ray binary» ou HMXB). Lorsque l'objet compact est un trou noir, on parle d'un microquasar. Les microquasars sont l'équivalent à l'échelle stellaire des quasars dans les galaxies actives. Dans ces dernières, un tore de poussières et de gaz enveloppe un trou noir de plusieurs millions de masses solaires.

Encore plus étrange : lorsque l'étoile secondaire est une étoile relativement massive, elle évolue naturellement vers le stade d'étoile géante rouge. Son rayon croît alors de manière incroyable (plus d'un facteur 100), et peut alors absorber l'étoile à neutrons ! C'est la phase d'évolution avec une enveloppe commune. L'étoile à neutrons spirale alors à l'intérieur de l'étoile géante rouge. En fonction du gradient de densité de l'enveloppe de la géante rouge, les modèles prédisent qu'il est possible que l'étoile à neutrons reste prisonnière à l'intérieur. Le résultat serait que l'étoile à neutrons prenne la place du cœur de l'étoile ! On parle alors d'objets de Thorne-Zytkow, des noms des deux premiers qui ont théorisé l'existence de tels objets : Kip Thorne et Ana Zytkow.

Bien que d'autres modèles montrent que ce genre d'objet n'est pas stable à cause d'une perte d'énergie par neutrinos (ce qui provoquerait l'effondrement complet de l'objet en un trou noir), des programmes d'observations ont été lancés pour savoir si les objets de Thorne-Zytkow existaient bel et bien. Il a été proposé dans la littérature que les étoiles Wolf-Rayet de type WN8 soient justement des objets de Thorne-Zytkow. En effet, les WN8 sont caractérisées par le fait qu'aucune d'elle ne soit apparemment une étoile binaire, qu'elles sont souvent en dehors des amas ou des associations, qu'elles possèdent une grande vitesse spatiale, et qu'elles montrent systématiquement un très grand taux de variabilité stochastique aussi bien en photométrie qu'en polarimétrie ou en spectroscopie.

À ce jour, aucune preuve observationelle n'a permis de savoir si les objets de Thorne-Zytkow existaient, et s'il fallait les trouver parmi les étoiles Wolf-Rayet de type WN8.

[modifier] Références

[modifier] Liens externes

• Accès aux Comptes rendus de l'Académie des Sciences sur le site de Bibliothèque Nationale de France, où se trouve l'article original de C. Wolf et G. Rayet.

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