Lorsque des étoiles de poids faible à moyen comme notre Soleil approchent de la fin de leur cycle de vie, elles finissent par rejeter leurs couches externes, laissant derrière elles une étoile naine blanche et dense. Ces couches externes sont devenues un nuage massif de poussière et de gaz, caractérisé par des couleurs vives et des motifs complexes, connus sous le nom de nébuleuse planétaire. Un jour, notre Soleil se transformera en une telle nébuleuse, qui pourrait être vue à des années-lumière.
Ce processus, où une étoile mourante donne naissance à un énorme nuage de poussière, était déjà connu pour être incroyablement beau et inspirant grâce à de nombreuses images prises par Hubble. Cependant, après avoir vu la célèbre nébuleuse des fourmis avec l'Agence spatiale européenne (ESA) Observatoire spatial Herschel, une équipe d'astronomes a découvert une émission laser inhabituelle qui suggère qu'il existe un système à double étoile au centre de la nébuleuse.
L'étude, intitulée «Herschel Enquête sur les nébuleuses planétaires (HerPlaNS): lignes laser de recombinaison d'hydrogène en Mz 3 », récemment paru dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. L'étude était dirigée par Isabel Aleman de l'Université de São Paulo et de l'Observatoire de Leiden, et comprenait des membres du Herschel Science Center, du Smithsonian Astrophysical Observatory, de l'Institute of Astronomy and Astrophysics, et de plusieurs universités.
La nébuleuse des fourmis (alias Mz 3) est une jeune nébuleuse planétaire bipolaire située dans la constellation Norma et tire son nom des lobes jumeaux de gaz et de poussière qui ressemblent à la tête et au corps d'une fourmi. Dans le passé, la nature magnifique et complexe de cette nébuleuse a été imagée par la NASA / ESA Le télescope spatial Hubble. Les nouvelles données obtenues par Herschel indiquent également que la nébuleuse des fourmis émet des émissions laser intenses de son cœur.
Dans l'espace, les émissions de laser infrarouge sont détectées à des longueurs d'onde très différentes et uniquement dans certaines conditions, et seuls quelques-uns de ces lasers spatiaux sont connus. Chose intéressante, c'est l'astronome Donald Menzel - qui a observé et classé la nébuleuse des fourmis pour la première fois en 1920 (d'où le nom officiel de Menzel 3 après lui) - qui a été l'un des premiers à suggérer que des lasers pourraient se produire dans la nébuleuse.
Selon Menzel, dans certaines conditions, une "amplification de la lumière naturelle par les émissions de rayonnement stimulées" (alias. D'où nous tirons le terme laser) se produirait dans l'espace. C'était bien avant la découverte des lasers dans les laboratoires, une occasion qui est célébrée chaque année le 16 mai, connue sous le nom de Journée internationale de la lumière de l'UNESCO. En tant que tel, il était tout à fait approprié que cet article soit également publié le 16 mai, célébrant le développement du laser et de son découvreur, Theodore Maiman.
Comme Isabel Aleman, l'auteur principal d'un article, a décrit les résultats:
«Lorsque nous observons Menzel 3, nous voyons une structure incroyablement complexe composée de gaz ionisé, mais nous ne pouvons pas voir l'objet en son centre produire ce modèle. Grâce à la sensibilité et à la large gamme de longueurs d'onde de l'observatoire Herschel, nous avons détecté un type d'émission très rare appelé émission laser par ligne de recombinaison d'hydrogène, qui a fourni un moyen de révéler la structure et les conditions physiques de la nébuleuse. »
"Une telle émission n'a été identifiée que dans une poignée d'objets auparavant et c'est une heureuse coïncidence que nous ayons détecté le type d'émission que Menzel a suggéré, dans l'une des nébuleuses planétaires qu'il a découvert", a-t-elle ajouté.
Le type d'émission laser observé a besoin d'un gaz très dense proche de l'étoile. En comparant les observations de l'observatoire Herschel aux modèles de nébuleuses planétaires, l'équipe a constaté que la densité du gaz émettant les lasers était environ dix mille fois plus dense que le gaz observé dans les nébuleuses planétaires typiques et dans les lobes de la nébuleuse des fourmis elle-même.
Normalement, la région proche de l'étoile morte - dans ce cas, à peu près la distance entre Saturne et le Soleil - est assez vide car son matériau a été éjecté vers l'extérieur après que l'étoile est devenue supernova. Tout gaz qui s'y attarderait retomberait bientôt dessus. Mais comme l'a dit le professeur Albert Zijlstra, du Jodrell Bank Center for Astrophysics et co-auteur de l'étude:
«La seule façon de garder un gaz aussi dense près de l'étoile est s'il est en orbite autour d'un disque. Dans cette nébuleuse, nous avons effectivement observé un disque dense au centre même qui est vu à peu près en bordure. Cette orientation permet d'amplifier le signal laser. Le disque suggère qu'il y a un compagnon binaire, car il est difficile d'obtenir que le gaz éjecté passe en orbite à moins qu'une étoile compagnon ne le détourne dans la bonne direction. Le laser nous offre un moyen unique de sonder le disque autour de l'étoile mourante, au plus profond de la nébuleuse planétaire. »
Bien que les astronomes n’aient pas encore vu la deuxième étoile attendue, ils espèrent que de futures études seront en mesure de la localiser, révélant ainsi l’origine des mystérieux lasers de la nébuleuse des fourmis. Ce faisant, ils pourront connecter deux découvertes (à savoir la nébuleuse planétaire et le laser) faites par le même astronome il y a plus d'un siècle. Comme Göran Pilbratt, scientifique du projet Herschel de l’ESA, a ajouté:
"Cette étude suggère que la nébuleuse de fourmis distinctive telle que nous la voyons aujourd'hui a été créée par la nature complexe d'un système d'étoiles binaires, qui influence la forme, les propriétés chimiques et l'évolution de ces dernières étapes de la vie d'une étoile. Herschel a offert les capacités d'observation parfaites pour détecter cet extraordinaire laser dans la nébuleuse des fourmis. Les résultats aideront à contraindre les conditions dans lesquelles ce phénomène se produit et nous aideront à affiner nos modèles d'évolution stellaire. C’est également une conclusion heureuse que la mission Herschel a pu relier les deux découvertes de Menzel il y a près d’un siècle. »
Les télescopes spatiaux de nouvelle génération qui pourraient nous en dire plus sur la nébuleuse planétaire et les cycles de vie des étoiles comprennent les Télescope spatial James Webb (JWST). Une fois que ce télescope sera dans l'espace en 2020, il utilisera ses capacités infrarouges avancées pour voir des objets qui sont autrement obscurcis par le gaz et la poussière. Ces études pourraient révéler beaucoup de choses sur les structures intérieures des nébuleuses, et peut-être éclairer pourquoi elles tirent périodiquement des «lasers spatiaux».
