Crédit d'image: UC Berkeley
Les astronomes de l'Université de Californie à Berkeley ont profité d'un système d'étoiles guide laser récemment installé à l'Observatoire Lick de l'UC pour obtenir des images nettes et sans scintillement des disques poussiéreux faibles d'étoiles massives éloignées. Les images montrent clairement que les étoiles deux à trois fois plus grandes que le soleil se forment de la même manière que les étoiles de type solaire - à l'intérieur d'un nuage sphérique tourbillonnant qui s'effondre en un disque, comme celui d'où le soleil et ses planètes ont émergé.
Le faisceau laser jaune perçant le ciel au-dessus de l'Observatoire Lick est devenu opérationnel sur le télescope Shane de 10 pieds l'année dernière, étendant l'utilisation du système de «miroir en caoutchouc» du télescope, appelé optique adaptative, à l'ensemble du ciel nocturne. L'ajout du laser fait de Lick le seul observatoire à fournir une étoile guide laser pour une utilisation de routine.
L’équipe de UC Berkeley et ses collègues du Center for Adaptive Optics de l'UC Santa Cruz et du laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL) rendent compte de leurs résultats dans le numéro du 27 février de la revue Science.
"Le paradigme pour des étoiles comme notre soleil est l'effondrement gravitationnel d'un nuage vers une protostar et un disque d'accrétion semblable à une crêpe, mais il y a une certaine masse à laquelle cela ne peut pas fonctionner - la luminosité de l'étoile devient suffisante pour perturber le disque, et il se désagrège aussi vite qu'il se resserre », a déclaré James R. Graham, professeur d'astronomie à UC Berkeley. «Nos données montrent que le paradigme du modèle standard fonctionne toujours pour les étoiles deux à trois fois plus massives que le soleil.»
"Sans l'optique adaptative, nous ne verrions qu'une grosse tache floue du sol et ne serions pas en mesure de détecter la fine structure autour des sources", a ajouté Marshall D. Perrin, étudiant diplômé d'UC Berkeley. "Nos observations soutiennent fortement une vision émergente que les étoiles de masse faible et intermédiaire se forment de manière similaire."
Un système d'optique adaptative, qui supprime les effets de flou des turbulences atmosphériques, a été ajouté au télescope Shane de Lick en 1996. Cependant, comme tous les autres télescopes à optique adaptative aujourd'hui, y compris les télescopes jumeaux Keck de 10 mètres à Hawaï, le télescope Lick a eu s'appuyer sur des étoiles brillantes dans le champ de vision pour fournir la référence nécessaire pour supprimer le flou. Seulement environ un à 10 pour cent des objets dans le ciel sont suffisamment proches d'une étoile brillante pour qu'un tel système d'étoiles de guidage "naturel" fonctionne.
Le laser à colorant au sodium, développé par les scientifiques du laser ace Deanna M. Pennington et Herbert Friedman de LLNL, complète enfin le système d'optique adaptative afin que les astronomes puissent l'utiliser pour visualiser n'importe quelle partie du ciel, qu'une étoile brillante soit à proximité ou non.
Attaché à l'alésage du télescope Lick, le laser fait passer un faisceau étroit à environ 60 miles à travers la zone turbulente dans la haute atmosphère, où la lumière laser stimule les atomes de sodium pour absorber et réémettre la lumière de la même couleur. Le sodium provient de micrométéorites qui s'enflamment et s'évaporent à mesure qu'elles pénètrent dans l'atmosphère terrestre.
La tache rougeoyante jaune créée dans l'atmosphère équivaut à une étoile de 9e magnitude - environ 40 fois plus faible que l'œil humain ne peut le voir. Néanmoins, il fournit une source de lumière stable tout aussi efficace qu'une étoile brillante éloignée.
«Nous utilisons cette lumière pour mesurer la turbulence dans l'atmosphère au-dessus de notre télescope des centaines de fois par seconde, puis utilisons cette information pour façonner un miroir flexible spécial de telle manière que lorsque la lumière, à la fois du laser et de la cible, vous êtes en regardant, rebondit, les effets de la turbulence sont supprimés », a déclaré Claire Max, professeur d'astronomie et d'astrophysique à UC Santa Cruz, directeur adjoint du Center for Adaptive Optics et chercheur au LLNL qui travaille pour plus plus de 10 ans pour développer un système d'étoiles de guidage laser.
Dans l'un des premiers tests de ce système, Graham et Perrin ont tourné le télescope sur des étoiles rares, jeunes et massives appelées étoiles Herbig Ae / Be qui sont floues du sol et généralement trop faibles pour être imagées par l'optique adaptative des étoiles guides naturelles. Les étoiles Herbig Ae / Be, avec des masses comprises entre 1,5 et 10 fois celle du soleil et probablement moins de 10 millions d'années, seraient les débuts d'étoiles massives - des étoiles qui finiront comme les étoiles chaudes de type A Sirius et Vega. Les étoiles Herbig Ae / Be ont été cataloguées il y a des années par George Herbig, astronome de l'UC Santa Cruz, maintenant à l'Université d'Hawaï.
Les plus massives des étoiles Herbig Ae / Be sont d'un grand intérêt car ce sont celles qui subissent des explosions de supernova qui ensemencent la galaxie avec des atomes lourds, rendant les planètes solides et même la vie possible. Ils déclenchent également la formation d'étoiles dans les nuages voisins.
Ce que les astronomes ont vu était très similaire à l'image connue des étoiles T Tauri, qui sont les étapes formatrices d'étoiles jusqu'à 50% plus grandes que notre soleil et vieilles de 100 millions d'années. Les images des deux étoiles Herbig Ae / Be montrent clairement une ligne sombre bissectant chaque étoile, causée par un disque bloquant l'éclat lumineux de l'étoile, et un halo sphérique incandescent de poussière et de gaz enveloppant l'étoile et le disque. Dans chaque étoile, deux jets de gaz et de poussière peuvent sembler émerger des pôles du disque d'accrétion.
Les deux étoiles, cataloguées comme LkH (198 et LkH (233 (sources d'hydrogène alpha-Lick)), se trouvent respectivement à 2000 et 3400 années-lumière dans une région éloignée de la galaxie de la Voie lactée.
"Le matériau du nuage protostellaire ne peut pas tomber directement dans l'étoile du nourrisson, il atterrit donc d'abord dans un disque d'accrétion et ne se déplace vers l'intérieur pour tomber sur l'étoile qu'après avoir perdu son élan angulaire", a expliqué Perrin. «Ce processus de transfert de moment angulaire, ainsi que l'évolution des champs magnétiques, conduit au lancement des écoulements bipolaires. Ces écoulements finissent par éliminer l'enveloppe, laissant une étoile nouveau-née entourée d'un disque d'accrétion. Sur quelques millions d'années, le reste du matériel dans le disque est accumulé, ne laissant que la jeune étoile derrière. »
Perrin a ajouté que le télescope spatial Hubble a fourni «des images très nettes et sans ambiguïté des disques et des débits autour des étoiles T Tauri», confirmant les théories sur la formation d'étoiles comme notre soleil. Mais, en raison de la rareté relative des étoiles Herbig Ae / Be, de telles données claires sur ces étoiles manquaient jusqu'à présent, a-t-il déclaré.
Les astronomes ont proposé que des étoiles très massives se forment à partir de la collision de deux étoiles ou plus, ou dans un nuage turbulent contrairement au disque d'accrétion tourbillonnant. Fait intéressant, une troisième étoile imagée la même nuit par Graham et Perrin s'est avérée être deux étoiles semblables au soleil avec un ruban de gaz et de poussière entre elles, ressemblant étrangement à une étoile capturant la matière de l'autre.
Graham espère photographier des étoiles Herbig Ae / Be plus massives pour voir si le modèle de formation d'étoiles standard s'étend à des étoiles encore plus grandes. Les images détaillées des étoiles Herbig Ae / Be doivent autant au nouveau système d'étoiles de guidage laser qu'au polarimètre d'imagerie proche infrarouge construit par Perrin et ajouté à la caméra proche infrarouge Berkeley (IRCAL) déjà montée sur le télescope.
"Sans polarimètre, la lumière des étoiles obscurcit en grande partie les structures qui les entourent", a déclaré Perrin. «Le polarimètre sépare la lumière stellaire non polarisée de la lumière diffusée polarisée de la poussière circumstellaire, ce qui augmente la détectabilité de cette poussière. Maintenant que nous avons développé cette technique à Lick, il sera possible de l'étendre aux télescopes Keck de 10 mètres à mesure que le système d'étoiles de guidage laser deviendra opérationnel. "
Le polarimètre divise la lumière de l'image en ses deux polarisations en utilisant un nouveau type de cristal biréfringent en lithium, yttrium et fluor (LiYF4), une amélioration par rapport aux cristaux de calcite utilisés à ce jour.
De nombreux autres groupes développent des lasers à utiliser comme étoiles guides, mais le groupe de Max a devancé ses concurrents depuis la première démonstration du concept au début des années 1990 à Livermore. Depuis lors, elle et ses collègues ont perfectionné le laser et le logiciel qui permet au miroir - dans le cas du télescope de 120 pouces de Lick, un miroir secondaire de 3 pouces à l'intérieur du télescope principal - d'être fléchi juste pour supprimer le scintillement de étoiles.
Le laser de 11 à 12 watts est un laser à colorant de sodium réglé sur la fréquence qui excitera les atomes de sodium froids dans l'atmosphère. Le laser à colorant est pompé par un laser vert néodyme YAG, un grand frère des pointeurs laser milliwatt verts facilement disponibles.
"La raison pour laquelle nous pouvons maintenant faire de la science avec le système d'étoiles de guidage laser est que sa fiabilité et sa facilité d'utilisation sont tellement améliorées", a déclaré Graham. "Le laser ouvre l'optique adaptative à une communauté beaucoup plus grande."
"Je pense que ce sera un instrument de travail chez Lick", a ajouté Max. «Le laser lui-même et le matériel du système d'optique adaptative sont assez stables et assez robustes. Ce qui va se passer maintenant, c'est que les gens vont faire de l'astronomie avec ça, ils vont développer de nouvelles techniques pour l'observer, l'essayer sur de nouveaux types d'objets. De manière typique, un bon astronome viendra faire avec votre instrument des choses que vous n'auriez jamais imaginées. »
Max et ses collègues ont testé un système d'étoiles de guidage laser identique sur les télescopes Keck à Hawaï, mais il n'est pas encore prêt pour une utilisation de routine, a-t-elle déclaré.
"Le Keck utilise la même technologie que nous avons chez Lick", a déclaré Max. «Je m'attends à voir cette technologie générale utilisée sur la plupart des télescopes, mais avec différents types de lasers. Les gens inventent de nouveaux types de lasers à droite et à gauche, donc je pense que ce jeu reste à régler. »
D'autres auteurs de l'article scientifique, à part Graham, Perrin, Max et Pennington, sont affiliés au Center for Adaptive Optics de la National Science Foundation, centré à UC Santa Cruz: l'astronome de recherche adjoint Paul Kalas de UC Berkeley, James P. Lloyd de la California Institute of Technology, Donald T. Gavel du Laboratoire d'optique adaptative de l'UC Santa Cruz et Elinor L. Gates des UC Observatories / Lick Observatory.
Les observations et le développement de l'étoile guide laser ont été financés par la National Science Foundation et le département américain de l'Énergie.
Source d'origine: communiqué de presse de UC Berkeley
