Fin d’une énigme stellaire de 200 ans

Vue d‘artiste de l’étoile double Epsilon du Cocher. © Nasa/JPL-Caltech
L’étoile Epsilon du Cocher a livré l’un de ses derniers secrets. Au cours de l’une des étranges éclipses qu’elle subit tous les 27 ans, des astronomes américains sont parvenus à identifier un phénomène physique qui confirme leur dernière théorie : il s’agit en fait de deux étoiles qui ont échangé leur matière.

En astronomie, les énigmes sont parfois tenaces. Celle qui entourait l’étoile Epsilon du Cocher durait depuis 1821. Presque deux siècles. Après des décennies d’observations, mais aussi de fausses pistes théoriques, toute la lumière est enfin faite sur l’origine des éclipses qui entraîne, tous les 27 ans (tous les 9887 jours exactement), une baisse d’éclat significative de cette étoile aisément visible à l’œil nu, aussi appelée Almaaz.

Certes, depuis 2011, l’affaire était pratiquement entendue, justement à l’occasion de l’une de ces éclipses qui durent 18 mois environ. En 2009, en effet, les astronomes attendaient de pied ferme l’un de ces phénomènes avec de nombreux télescopes et satellites. Un interféromètre a même été mobilisé pour tenter de reconstituer l’image de l’astre occulteur. Ce déploiement de moyens a payé.

L’interféromètre Chara a observé Epsilon Aurigae en 2008 (à gauche), puis en novembre et décembre 2009
(au milieu et à droite), au moment de l’éclipse de l’étoile du Cocher. © Chara

Peu après la fin de l’éclipse, l’hypothèse avancée pour la première fois en 1954 par le Tchèque Zdenek Kopal est confirmée : l’étoile géante Epsilon du Cocher est en partie occultée tous les 27 ans par un disque de poussière et de gaz qui tourne autour d’une autre étoile. Mais il fallait tout de même confirmer ce modèle, notamment en observant un échange de matière entre les deux étoiles. C’est ce qu’a réussi Justus Gibson (université de Denver) et son équipe.

Échange de matière entre étoiles

Parmi les observatoires qui ont suivi l’éclipse de 2009, se trouvait celui d’Apache Point, aux États-Unis, qui est doté d’un télescope de 3,5 m. Le réflecteur a alors pu enregistrer plusieurs spectres lumineux de l’étoile. C’est dans ces spectres que l’équipe de Gibson a identifié des vitesses qui correspondent à celles de flots gazeux se déplaçant d’une étoile à une autre. En quoi cela est-il important pour confirmer le mécanisme responsable des éclipses ? Parce que c’est la pièce qui manquait pour que le modèle imaginé soit complet.

Les observations, notamment celle de l’interféromètre Chara, avaient bien décrit l’existence du disque de matière et son diamètre (près de 8 UA). Elles avaient aussi permis une découverte capitale : la masse d’Almaaz (2,2 masses solaires, au lieu de 16 masses solaires comme on le croyait auparavant).

Grâce à des satellites observant en rayons X, les astronomes ont fait une autre découverte intéressante : l’étoile qui se cache au centre du disque de poussière avoisine les 6 masses solaires (jusque-là, certains théoriciens imaginaient qu’elle pouvait être une étoile à neutrons ou un trou noir, certes un astre plus dense, mais bien moins massif). Almaaz n’est donc pas le corps principal du système. C’est même elle qui tourne autour de l’autre étoile, invisible derrière son anneau poussiéreux.

Une histoire de masse perdue

Pourtant, il ne suffisait pas de décrire le système, encore fallait-il que celui-ci puisse exister, c’est-à-dire qu’il soit conforme à ce que les astronomes savent de l’évolution stellaire. Or, avec ces nouvelles mesures de masses, il apparaissait qu’Almaaz était une étoile massive assez évoluée. Donc, elle devait avoir perdu beaucoup de masse au cours de son existence. Environ 6 fois la masse du Soleil. Les astronomes ont cherché cette matière tout autour du couple stellaire à l’aide de satellites infrarouges, les plus à même de détecter du gaz éjecté : sans succès. La solution résidait forcément dans la présence de la seconde étoile, celle qui reste cachée dans son disque de poussière.

Piège naturel

Les spécialistes de mécanique céleste ont défini depuis longtemps l’existence, entre deux corps, d’une zone appelée lobe de Roche. Celle-ci peut s’apparenter à une région de l’espace où les attractions gravitationnelles des deux astres se compensent, ce qui permet à de la matière de s’y loger. Le gaz perdu par Epsilon du Cocher a donc pu se stocker là au lieu de s’échapper dans l’espace… avant de former un disque épais autour de l’étoile la plus massive.

Depuis 2011, il manquait à confirmer que c’était bien le cas. Robert Stencel, coauteur de la nouvelle étude avec Justus Gibson, indique : « Nous avons utilisé un modèle d’évolution dans lequel un couple d’étoiles de 9 et de 8 masses solaires évolue [NDLR : par un échange de matière] en un système de 2,3 et 14,1 masses solaires en 35 millions d’années. Environ 0,6 masse solaire est perdue dans l’espace. »

Des masses encore à préciser

Le tandem stellaire d’Epsilon du Cocher serait donc le résultat de l’échange de matière entre deux étoiles liées par la gravitation. Fin de l’histoire ? Dans les grandes lignes, oui. Dans le détail, pas tout à fait. Justus Gibson et Robert Stencel ont publié plus récemment une nouvelle étude dans laquelle ils envisagent une autre possibilité, qui correspond aussi très bien aux observations. « Notre dernier modèle d’évolution du système commence avec une étoile de 9,8 masses solaires et une autre de 4,5 qui ont évolué respectivement en deux astres de 1,2 et 10,6 masses solaires, avec une perte substantielle de 2,5 masses solaires », explique Robert Stencel. 

Pourquoi une telle différence ? « Ces résultats dépendent des hypothèses de notre modèle sur la perte de masse et l’efficacité du transfert, rappelle prudemment Robert Stencel. La valeur de ce modèle repose sur plusieurs autres contraintes observationnelles, spécialement le diamètre angulaire de l’étoile et son rapport isotopique ». En d’autres termes, si l’échange de masse a bien été observé, il manque encore à préciser la taille de l’étoile ainsi que sa composition avant de pouvoir connaître exactement la masse du système et de ses composantes.

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