Le carbone est l’élément essentiel de la biochimie des êtres vivants. Sur Terre, il est donc le constituant principal de la vie. Cependant, son origine fait encore débat au sein de la communauté scientifique, se positionnant autour de deux hypothèses majeures. Récemment, une équipe d’astrophysiciens a montré, en analysant les naines blanches de plusieurs amas stellaires, que le carbone avait été dispersé dans la galaxie par le mouvement des vents stellaires à la mort des étoiles massives.
Les résultats d’une étude publiée aujourd’hui dans Nature Astronomy montrent que l’étape finale de ces étoiles mourantes, appelées naines blanches, éclaire l’origine du carbone dans la Voie lactée. « Les résultats posent de nouvelles contraintes strictes sur la façon et le moment où le carbone a été produit par les étoiles de notre galaxie, se retrouvant dans la matière première à partir de laquelle le Soleil et son système planétaire ont été formés il y a 4.6 milliards d’années », explique Jeffrey Cummings, du Département de physique et d’astronomie de l’Université Johns Hopkins.
La masse des naines blanches : un indice sur la provenance du carbone
L’origine du carbone, un élément essentiel à la vie sur Terre, est encore débattue parmi les astrophysiciens : certains sont en faveur des étoiles de faible masse qui ont fait exploser leurs enveloppes riches en carbone devenues des naines blanches, et d’autres placent le site majeur de la synthèse du carbone dans les vents d’étoiles massives qui ont finalement explosé en supernovas.
En utilisant les données de l’observatoire de Keck près du sommet du volcan Mauna Kea à Hawaï, recueillies entre août et septembre 2018, les chercheurs ont analysé les naines blanches appartenant aux amas d’étoiles ouverts de la Voie lactée. Les amas d’étoiles ouverts sont des groupes de quelques milliers d’étoiles maintenus ensemble par attraction gravitationnelle mutuelle. À partir de cette analyse, l’équipe de recherche a mesuré les masses des naines blanches et, en utilisant la théorie de l’évolution stellaire, a également calculé leurs masses à la naissance.
La connexion entre les masses initiale et finale est appelée la relation de masse initiale-finale, un diagnostic fondamental en astrophysique, qui contient l’ensemble des cycles de vie des étoiles. Des recherches antérieures ont toujours trouvé une relation linéaire croissante : plus l’étoile à la naissance était massive, plus la naine blanche restait massive à sa mort.
Sur le même sujet : Découverte d’un nouveau type d’explosion stellaire
Un carbone dispersé par les vents stellaires d’étoiles massives
Mais lorsque Cummings et ses collègues ont calculé la relation de masse initiale-finale, ils ont été choqués de constater que les naines blanches de ce groupe d’amas ouverts avaient des masses plus grandes que les astrophysiciens ne le pensaient auparavant. Cette découverte a brisé la tendance linéaire que d’autres études ont toujours trouvée. En d’autres termes, les étoiles nées il y a environ 1 milliard d’années dans la Voie lactée n’ont pas produit de naines blanches d’environ 0.60-0.65 masse solaire, comme on le croyait généralement, mais elles sont mortes en laissant des restes plus massifs d’environ 0.7 à 0.75 masse solaire.
Les chercheurs disent que ce pli dans la tendance explique comment le carbone des étoiles de faible masse a pénétré la Voie lactée. Dans les dernières phases de leur vie, des étoiles deux fois plus massives que le Soleil ont produit de nouveaux atomes de carbone et les ont propagés dans l’environnement interstellaire voisin par de doux vents stellaires.
Les modèles stellaires de l’équipe de recherche indiquent que le décapage du manteau extérieur riche en carbone s’est produit assez lentement pour permettre aux noyaux centraux de ces étoiles, les futures naines blanches, de croître considérablement en masse. L’équipe a calculé que les étoiles devaient avoir au moins 1.5 masse solaire pour répandre ces cendres riches en carbone à leur mort.
Une galaxie est une grande structure cosmique composée d'un
assemblage d'étoiles, de gaz et de poussières. Il en existe
plusieurs types, classés selon leur masse et leur morphologie,
formées à différentes... [...]