La mystérieuse éruption géante d’une étoile minuscule

Vue d’artiste d’une étoile naine L. © ESA
En 2008, le satellite XMM a enregistré un événement bizarre : une éruption très énergétique sur un astre qui fait partie des plus petites étoiles connues. Inexpliquée, cette « colère » pourrait révéler tout un pan inconnu de l’évolution de ces étoiles qui sont les plus nombreuses dans la Galaxie.

Même des observations vieilles de plus d’une décennie réservent encore des surprises pour les astronomes. Ainsi, la découverte de l’étoile J0331-27 relève de ce que les scientifiques appellent sérendipité, une découverte due à un heureux hasard. Les astronomes de l’Institut d’astrophysique de Milan (Italie) exploitaient les données du télescope spatial XMM-Newton, lancé en 1999 et qui devrait être « mis à la retraite » fin 2020. Leur objectif : étudier des sources de rayonnement X extragalactiques.

Les auteurs de la découverte se sont plongés dans les archives de l’observatoire spatial européen XMM-Newton. © ESA

Une énergie dix fois supérieure à celle du Soleil

Beate Stelzer

Or, ils sont tombés sur une énorme émission de rayonnement X d’environ 30 minutes, qui s’est produite le 5 juillet 2008. Elle ne provenait pas d’une autre galaxie, mais bien de notre Voie lactée. « Nous avons mesuré son énergie : elle est dix fois supérieure à celles des plus fortes émissions du Soleil. Or, son origine est une étoile minuscule et froide, une naine L, J0331-27 », explique Beate Stelzer, de l’Institut d’astronomie de l’université de Tübingen (Allemagne), coauteure de cette découverte publiée dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Les étoiles sont classées selon leur « type spectral », une donnée issue de l’analyse de leur lumière et qui dépend notamment de leur masse. Elles sont désignées par des lettres : O, B, A, F, G, K, M, L… Le Soleil est de type G. Mais la majorité des étoiles de la Voie lactée sont de petites étoiles de type M, peu lumineuses et moins massives que lui (entre 60 % et moins de 10 % de la masse du Soleil). La masse de J0331-27 serait encore inférieure : environ 8 % de celle du Soleil. Elle se trouve ainsi à la limite entre une étoile et une naine brune, une « étoile ratée », trop peu massive pour enclencher des réactions de fusion nucléaire durables.

Toutes les étoiles, massives ou pas, connaissent à leur naissance de violentes éruptions. Celles du Soleil auraient duré environ 500 millions d’années. Mais le phénomène peut se prolonger beaucoup plus longtemps chez des étoiles plus petites. De fait, un « flash » avait déjà été constaté à quelques reprises chez des naines L, mais toujours dans le domaine visible. C’est la première fois qu’une telle éruption est observée dans le domaine des rayons X pour ce type d’étoile.

Une étoile a priori trop froide

Mais quelque chose ne colle pas. « Le spectre lumineux de l’étoile nous a permis de déterminer la température de sa photosphère [surface visible de l’étoile] : elle est d’environ 2000 kelvins. Or, cette température n’est pas suffisante pour ioniser le gaz de l’étoile. Celui-ci est donc à l’état neutre, explique Beate Stelzer. Or, pour qu’une telle éruption se produise, il faut en théorie que le gaz de l’étoile soit ionisé. Les particules chargées transmettent leur énergie au champ magnétique de l’étoile, lequel se reconfigure brutalement en libérant lui aussi de l’énergie sous forme lumineuse, en rayons X notamment. » Alors, qu’est-ce qui a pu provoquer une telle éruption ? Mystère. « À ce stade, nous n’avons pas d’explication. D’autant que nous manquons de statistiques sur ce genre de phénomène », note l’astrophysicienne.

Quel impact sur d’éventuelles exoplanètes ?

L’activité des petites étoiles reste mal connue. Or, celles-ci sont des cibles de choix dans la recherche des exoplanètes. En particulier les naines M, très abondantes, et a priori plus actives que les naines L. Exemple le plus connu : l’étoile Trappist-1, qui compte pas moins de sept planètes autour d’elle, toutes de la taille de la Terre, et dont trois pourraient se trouver dans la « zone habitable » de l’étoile, c’est-à-dire à une distance où l’eau pourrait exister à leur surface à l’état liquide — une situation favorable à l’apparition et au maintien de la vie. Aucune planète n’a encore été détectée autour d’une naine L, notamment parce qu’elles sont très peu lumineuses, mais ce n’est pas impossible en théorie.

Franck Selsis

« Je me bats contre le préjugé répandu qui veut que la forte activité d’une étoile compromette l’habitabilité des planètes qui se trouveraient autour », souligne Franck Selsis, de l’observatoire de Bordeaux. Une « douche » de rayons X n’aurait guère de chance d’arroser le sol d’une planète, puisqu’elle ne peut pas traverser son atmosphère. En revanche, le rayonnement X pourrait éroder cette dernière. « Mais les modèles actuels qui permettent d’estimer cette perte d’atmosphère sont peu précis, remarque Franck Selsis. Par ailleurs, la composition isotopique de l’hydrogène et de l’azote de l’atmosphère terrestre actuelle est très proche de celle des météorites du Système solaire primitif. Cela tend à montrer que l’atmosphère originelle a été très peu érodée par la forte activité du jeune Soleil. »

Étudier l’impact réel de l’activité des étoiles sur les atmosphères planétaires passera par la mise au point de nouveaux modèles prenant en compte de nombreux paramètres. « La sonde Maven en orbite autour de Mars mesure la perte d’atmosphère de la planète qui se poursuit aujourd’hui. Ses données pourraient aider à élaborer ces modèles », indique Franck Selsis.

« Comprendre les causes de ces éruptions nécessite d’abord de faire des relevés systématiques du ciel pour en estimer la fréquence », note de son côté Beate Stelzer. C’est l’une des tâches d’eROSITA, un instrument à bord de la mission germano-russe SRG (Spectrum Roentgen Gamma) lancée en juillet 2019.

L’observatoire spatial germano-russe SRG. © Roscosmos

 

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