L’effondrement de Bételgeuse dû à un coup de froid et à de la poussière

Variation d’éclat de l’étoile Bételgeuse à l'hiver 2019-2020. © ESO
Hiver 2020, l’étoile de la constellation d’Orion connait une nette baisse d’éclat. Un chercheur français a analysé en profondeur le phénomène, dont les causes se révèlent plus complexes que prévu. Miguel Montargès publie ses conclusions dans la revue Nature.

Qu’est-il arrivé à Bételgeuse, l’étoile principale de la constellation d’Orion, à l’hiver 2020 ? Sa baisse de luminosité pendant plusieurs semaines n’est toujours pas pleinement expliquée. Plusieurs publications scientifiques ont avancé des hypothèses. Certaines équipes ont même annoncé avoir résolu le problème : l’étoile aurait subitement expulsé une grande quantité de gaz qui se serait condensée en poussière responsable de l’obscurcissement aperçu.

Pourtant, l’histoire est loin d’être aussi simple. Miguel Montargès, un spécialiste des étoiles massives, a patiemment compilé toutes les observations effectuées à travers le monde pendant l’étrange affaiblissement de Bételgeuse. Il ne s’est pas contenté de ses propres mesures réalisées avec le Very Large Telescope (VLT) au Chili. « Cela, personne ne l’a fait ; chacun s’est concentré sur son jeu d’observations et a quelque peu ignoré ce qui a été fait ailleurs », précise l’astronome de l’observatoire de Paris-Meudon.

Ce travail de bénédictin a pris du temps, car il fallait élaborer des modèles informatiques complexes pour interpréter correctement les diverses données. Il publie avec plusieurs collègues aujourd’hui ses conclusions dans la revue Nature. Et s’il a bien une forte présomption sur ce qui est arrivé à son étoile fétiche, il se refuse à être catégorique. Ainsi, quand on lui demande s’il arrive à une conclusion, il répond en préambule à ses explications détaillées : « À la fois oui et non ».

Des observations partielles réalisées pendant la pandémie

Pour comprendre toute l’histoire, il faut effectuer un retour en arrière. Décembre 2019 : plusieurs observateurs constatent que Bételgeuse, dont la luminosité fluctue légèrement en temps normal, perd beaucoup de son éclat. Le phénomène s’accentue jusqu’aux alentours du 20 janvier 2020. Mi-février, l’éclat de Bételgeuse remonte progressivement. Et à la fin du printemps 2020, tout semble revenu à la normale.

Variation d’éclat de l’étoile Bételgeuse à l'hiver 2019-2020. © ESO
En décembre 2019, la brillance de l’étoile d’Orion commence à chuter. Elle ne reprend son éclat normal que plusieurs mois après. © ESO

Bien entendu, dans l’intervalle, les astronomes professionnels ont multiplié les observations pour analyser le phénomène. Mais… la période correspond à la première vague de la pandémie du coronavirus et la plupart des observatoires ont fermé courant mars 2020, limitant les occasions. Miguel Montargès a toutefois eu un peu de chance : le 27 décembre 2019, il a observé la surface de l’étoile par l’un des télescopes de 8,2 m du VLT et en janvier 2020, puis le 21 mars, l’avant-veille de la fermeture de l’observatoire de Paranal, de nouvelles images sont réalisées à sa demande.

Plusieurs équipes publient les résultats de leurs observations. Et rapidement, l’hypothèse d’une éjection brutale de matière par l’étoile dans la direction de la Terre est privilégiée. Ce nuage de gaz, en mouvement et en expansion, se serait ensuite refroidi, permettant la formation de poussières. Celles-ci auraient fait écran et affaibli artificiellement l’éclat de l’étoile vue de la Terre. Mais ce n’est pas la seule explication possible.

Quatre hypothèses de départ

Quatre théories ont été émises pour expliquer le phénomène, comme le rappelle Miguel Montargès : « Un changement de taille de Bételgeuse ; un nuage de poussière qui passe devant elle ; de la matière émise par l’étoile et qui vient dans notre direction ; ou enfin une tache froide à sa surface. » Dans son article, il passe en revue chacune de ces idées. La première est assez vite écartée : « La taille de Bételgeuse ne change quasiment pas, selon nos mesures faites au VLT avec l’instrument Gravity (en interférométrie dans le proche infrarouge). Elle passe de 42,61 à 42,11 millisecondes d’arc. Or pour expliquer la baisse d’éclat observée, il faudrait que cette valeur varie de 30 %, ce qui est loin d’être le cas. »

Une deuxième idée ne résiste pas aux observations : celle d’un nuage interstellaire qui se serait passé entre la Terre et Bételgeuse. Et cela c’est grâce aux photos de la surface de l’étoile prises par Miguel Montargès avec le VLT pendant les semaines d’affaiblissement de son éclat : « En décembre 2019, on est avant le minimum. En janvier, on est pendant le minimum et ensuite, on est après. Or, si une chose passait devant Bételgeuse, on devrait la voir traverser le disque de l’étoile : avant le minimum, elle serait à gauche, au minimum, elle serait centrée, et ensuite, elle serait de l’autre côté. Mais là, nous avons toujours quelque chose qui est au sud-ouest. Il n’y a pas de transit. »

Une hypothèse favorite

Mais un nuage de poussière a pu être émis par l’étoile elle-même. Et sur ce point, plusieurs indices convergent. « Avant la baisse de luminosité, le spectre de la surface de l’étoile était assez décalé vers le bleu. Cela veut dire qu’il y avait de la matière qui venait vers nous. Et en ultraviolet, on a vu transiter un nuage de gaz dans la chromosphère. Donc il aurait quand même quelque chose qui serait parti de l’étoile », précise l’astronome. Les images obtenues avec le VLT sont compatibles avec ce scénario. En effet, en janvier 2020, puis en mars, le fait que la partie sud-ouest du disque stellaire soit assombrie laisse supposer qu’un nuage a été émis par cette région de l’astre.

Enfin, si Bételgeuse a baissé en éclat dans le domaine de la lumière visible, les mesures réalisées dans l’infrarouge ne montrent aucune variation. Pourquoi est-ce intéressant ? Parce qu’à cette longueur d’onde, les poussières ne filtrent pas le rayonnement. S’il n’y a pas de baisse, c’est un indice de plus que l’éclat de l’astre n’a pas varié et qu’il a été artificiellement amoindri dans le visible uniquement par un nuage de poussière.

Fin de l’histoire ? Pas tout à fait…

L’étoile a-t-elle eu un coup de froid ?

Miguel Montargès, spécialistes des étoiles massives. © M. Montargès
Miguel Montargès

Reste la dernière hypothèse en lice : celle d’une tache froide. Même si les données en infrarouge semblent l’infirmer, Miguel Montargès ne se résout pas à l’éliminer entièrement : « Pour étudier ce cas de figure, nous avons fait des simulations de tache froide à 3300 K sur la surface de l’étoile qui est à 3700 K. Et cela ne marche pas trop mal. » Surtout, Bételgeuse est une étoile légèrement variable. Ses fluctuations sont observées régulièrement depuis plus d’un siècle et de manière très suivie depuis le début des années 1980. Et justement, la chute d’éclat des premiers mois de 2020 est survenue lors d’un minimum attendu. « Ce qui est remarquable, c’est que la perte de luminosité, que ce soit à cause d’une tache froide ou d’un nuage de poussière, coïncide avec la période de pulsation de l’étoile. C’est quelque chose que personne n’a noté », pointe Miguel Montargès.

« Si on remplace la tache froide par un nuage de poussière devant l’étoile, le programme calcule comment la poussière absorbe le rayonnement de l’étoile et comment il le réémet et le diffuse. Mais les résultats sont bien plus lents. J’ai fait tourner quelques dizaines de milliers de modèles, car il fallait essayer plusieurs tailles de poussières ainsi que plusieurs compositions. Et cela fonctionne bien aussi ! » détaille l’astronome.

« Conclusion : la tache froide et le nuage de poussière ne marchent pas trop mal. Apparemment, la tache froide convient même mieux. Mais dans le domaine visible, j’ai exploré tous les paramètres (température, localisation, mouvement). Si le nuage de poussière reproduit un peu moins bien les données, il faut garder à l’esprit que je n’ai pas exploré toutes les combinaisons possibles de taille de grain et de composition : avec plus de temps, je pourrais aller plus loin », souligne le chercheur.

Une mesure fragilise toutefois l’idée d’une tache froide : la perte de luminosité de Bételgeuse a été très faible en infrarouge. Or, tous les modèles de refroidissement de la photosphère, même par une tache froide, prévoient une baisse de flux en infrarouge. Pourquoi n’a-t-elle pas été observée ? Miguel Montargès avance une idée : « Il n’est pas impossible de trouver une combinaison de taille de grains de poussière et de composition qui permettrait d’avoir la bonne extinction dans le visible et une bonne transparence en infrarouge proche. Pour l’instant, il n’y a aucun scénario complet qui permet d’expliquer parfaitement l’ensemble des observations de l’ultraviolet à la radio. »

La vérité est-elle ailleurs ? « Des scénarios de propagation d’onde de choc dans la haute atmosphère de l’étoile pourraient offrir une alternative intéressante. Problème : ces modèles ne sont pas assez développés pour le moment », note l’astronome.

Pourtant, un autre détail laisse une chance à l’hypothèse du refroidissement partiel : les mesures de la luminosité de Bételgeuse en infrarouge prennent en compte la globalité de sa surface. Elles ne sont pas assez résolues spatialement pour discerner différentes régions. Or les images en visible du VLT révèlent bien que seule une partie de l’étoile a été affectée par le phénomène. Résultat : les chercheurs concluent peut-être un peu vite qu’il n’y a pas eu de baisse d’éclat en infrarouge. Car il n’est pas certain qu’une diminution de température sur une petite zone du disque stellaire serait discernable dans les données en infrarouge qui ont été acquises…

Observation manquée

Pour trancher, il aurait fallu pouvoir observer Bételgeuse pendant son affaiblissement (ou peu après) avec l’interféromètre millimétrique Alma, dans sa configuration la plus large, celle où ses antennes sont séparées de 16 km. Ainsi, l’instrument aurait atteint sa résolution maximale et aurait pu produire des spectres des différentes régions de l’étoile. Mais l’observatoire a fermé entre mars et novembre 2020 à cause de la pandémie. Et maintenant, s’il y a eu un nuage émis par l’étoile, il est trop dilué pour apparaitre dans les observations.

Si une telle étude avait pu être menée, les astronomes auraient pu dresser une carte d’un gaz, le monoxyde de carbone (CO) qui bien que minoritaire dans l’enveloppe d’une supergéante rouge comme Bételgeuse, aurait attesté de l’existence d’un nuage de gaz. Cela aurait suffi pour certifier qu’une nuée poussiéreuse s’est formée par condensation des gaz émis par l’étoile.

Le scénario retenu

En l’absence de solution définitive à l’énigme, Miguel Montargès expose le scénario qui lui semble le plus probable : « Un nuage de gaz a été poussé par l’étoile et ensuite, ou parallèlement, la surface s’est refroidie. La baisse de température locale a été assez importante pour que la température devienne assez basse dans le nuage de gaz et que de la poussière commence à se former. Mon interprétation est que la baisse de luminosité est due à la conjonction d’une baisse de température locale, à la surface de l’étoile, qui a déclenché la formation de poussière. Et la formation de poussière sur certaines étoiles peut être un phénomène en cascade. Sur les étoiles de type R Corona Borealis, on a une émission de poussière, qui fait écran et ensuite il y a de plus en plus de poussière qui se forme et cela obscurcit de plus en plus l’étoile. C’est ce qui s’est passé.

Variations d’éclat de l’étoile Bételgeuse sur un siècle. DR
Variations d’éclat de Bételgeuse enregistrées sur un siècle. © AAVSO

Ensuite, l’étoile est remontée en luminosité en suivant sa période de 420 jours [NDLR : son cycle de variation]. Elle est redevenue plus chaude. Peut-être une partie de la poussière a été détruite. Ou bien le nuage de poussière s’est légèrement décalé, ce qui est possible si on se fie aux images de l’étoile. En décembre, la tache est plutôt au sud. En janvier, on voit un décalage vers l’ouest. En mars, c’est encore plus décalé. On peut imaginer que le nuage s’est déplacé et que la luminosité est remontée. »

Après avoir brillé un peu plus que prévu en février 2021 (magnitude 0,25 au lieu de 0,7), Bételgeuse semble aujourd’hui rentrée dans le rang. Elle obéit à nouveau au cycle de ses variations habituelles. Ce qui s’est produit début 2020 ressemble donc à un simple « éternuement », littéralement, puisque l’étoile a simultanément subi un refroidissement partiel et expulsé du gaz.

Les humains ont vu Bételgeuse changer

La supergéante rouge d’Orion nous a offert une chose rare dans le monde des étoiles : un changement d’aspect éphémère. Chacun a pu le voir à l’œil nu. Les astronomes ont pu l’étudier avec des instruments performants. Cet évènement permettra peut-être, à terme, de mieux comprendre cette phase de l’évolution stellaire qui précède l’explosion en supernova. Car c’est ainsi que Bételgeuse terminera son existence d’ici quelques milliers d’années.

Miguel Montargès espère ne pas voir cette issue fatale sur son étoile favorite (il préfèrerait voir exploser Antarès, dans le Scorpion). Son travail sur Bételgeuse lui a inspiré une réflexion : « Quand les dinosaures étaient sur Terre, elle n’était pas dans le ciel. Il y a 65 millions d’années, le Soleil était déjà le même qu’aujourd’hui. Mais Bételgeuse, elle, n’était pas née ! Et elle est passée de bleu à rouge à un moment entre Homo habilis et nous. Il y a donc des hominidés qui ont vu Bételgeuse bleue. » Probablement une autre première dans l’histoire de l’observation des étoiles…

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