Dans l'atmosphère de six naines rouges, des astronomes ont repéré un élément chimique qui n'aurait jamais dû s'y trouver ; à ce stade de leur vie, il aurait dû disparaitre depuis longtemps. Une seule explication tient debout : ces étoiles ont avalé leurs propres planètes.
L'engloutissement d'une planète par son étoile est un événement qui ne laisse à peu près rien à observer. La matière dévorée se fond dans la fournaise stellaire, et seuls quelques résidus chimiques, perdus dans l'atmosphère de l'astre, peuvent encore trahir le festin. Les astronomes en sont réduits à traquer les maigres indices qui en restent, seuls vestiges de la composition élémentaire du corps englouti. Oui, il existe de rares étoiles que l'on qualifie de « cannibales » : elles détruisent et agglomèrent les matériaux de leurs planètes proches.
Une équipe menée par l'astrophysicien Robin Jeffries, de l'Université de Keele (Royaume-Uni) vient d'en dénicher un petit groupe : six naines rouges, dont l'atmosphère contient du lithium (Li), un élément qui ne peut pas normalement survivre aux intenses mouvements de convection qui le transportent rapidement vers leurs cœurs brûlants. Preuve qu'elles ont absorbé des débris de planètes, réapprovisionnant ainsi leur photosphère en éléments chimiques légers. Le phénomène avait été modélisé de longue date, mais aucune observation ne l'avait encore confirmé chez des naines rouges aussi jeunes. Leurs travaux ont été publiés le 28 mai dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Du lithium là où il ne devrait plus en rester
Les naines rouges sont de petit gabarit, peu massives mais très denses, dont la température de surface ne dépasse généralement pas les 3 500 °C : ce sont des étoiles adultes qui resteront en l'état pendant des milliers de milliards d'années, leur masse trop faible leur interdisant la phase de géante rouge qui attend notre Soleil. Leur cœur, en revanche, est très chaud (il peut atteindre 4 à 8 millions de degrés selon leur masse) malgré sa taille modeste et pulvérise rapidement le lithium, qui ne résiste généralement pas à cette fournaise dès les premiers millions d'années de leur existence. Il entre en fusion aux alentours de 2,5 millions de degrés, ce qui explique qu'aucun atome primordial de lithium ne puisse échapper au cycle de combustion interne de ces étoiles.
Une naine rouge un tant soit peu âgée ne devrait donc plus en abriter la moindre miette. S'il en réapparaît, c'est qu'il y a eu un apport exogène, et le seul réservoir de lithium suffisamment important pour que ce type d'astre en retrouve reste… une planète, ou plusieurs, trop froides pour avoir consumé leur propre stock. Un signe tellement caractéristique que Jeffries le compare à « une tache de peinture jetée sur une toile vierge ».
Cette traque des restes planétaires porte un nom : la nécroplanétologie, l'étude des cadavres de planètes broyées par leur étoile. On la pratique d'ordinaire sur des astres mourants, dont les couches externes dilatées recrachent facilement ce qu'ils ont avalé. Ici, le profil des suspectes n'a rien à voir avec les étoiles que l'on recherche habituellement : les six naines rouges sont jeunes et ne montrent aucun signe d'épuisement. Âgé de 13,8 milliards d'années, l'Univers est de toute manière trop jeune pour en avoir vu mourir une seule : elles brûlent leur carburant si lentement que leur espérance de vie se compte en dizaines, voire en milliers de milliards d'années, contre une dizaine de milliards pour notre Soleil.
Six étoiles cannibales trahies par leur lumière
Pour trouver ces six étoiles dévoreuses de mondes, l'équipe a épluché les données du relevé spectroscopique Gaia-ESO, obtenues grâce à l'instrument FLAMES installé sur le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO (European Southern Observatory) au Chili. Depuis sa première campagne d'observation en 2011, ce programme a analysé la composition chimique de milliers d'étoiles de la galaxie. Les chercheurs se sont concentrés sur un type particulier de population stellaire : les amas ouverts.
Ces regroupements d'étoiles sont de parfaits candidats pour repérer une étoile qui détonne par sa composition chimique, car tous leurs membres sont issus d'un même nuage de gaz effondré sur lui-même il y a quelques millions ou centaines de millions d'années. Ils sont comparables à des cohortes d'étoiles jumelles, ce qui élimine d'emblée la plupart des facteurs de confusion habituellement rencontrés en spectroscopie stellaire. L'équipe pouvait donc se concentrer sur l'essentiel : traquer, parmi les naines rouges d'un même amas, celles dont la quantité de lithium dépassait celle de leurs voisines.
En tout, ils en ont retenu 318, mais seulement six d'entre elles présentaient une concentration de lithium incompatible avec leur âge. Réparties dans trois amas bien connus des astronomes (NGC 2451a, Blanco 1 et NGC 2516), à l'âge idéal pour piéger des étoiles cannibales : entre 50 et 200 millions d'années. Une septième étoile, écartée par la suite, complétait initialement la liste.
Restait à éliminer les fausses pistes. Première hypothèse à examiner : et si l'une de ces étoiles n'appartenait pas réellement à son amas ? Une naine rouge plus jeune, encore gorgée de lithium parce que sa fournaise n'aurait pas eu le temps de le détruire, pourrait théoriquement s'être glissée dans l'amas par simple coïncidence. Cette hypothèse a été écartée par l'examen des vitesses propres et de la position des étoiles dans le diagramme couleur-magnitude : les six suspectes partageaient rigoureusement les mêmes paramètres dynamiques que leurs sœurs, signe qu'elles sont bien nées dans l'amas.
Seconde piste : une rotation rapide ou une activité magnétique intense aurait-elle pu freiner la destruction du lithium ? Ces deux phénomènes perturbent, en effet, le brassage convectif qui plonge le lithium vers le cœur fusionnant, et pourraient en théorie en préserver des traces en surface. Là encore, échec : les six étoiles figuraient parmi les corps en rotation les plus lents de leurs amas respectifs, et ne montrent aucune activité magnétique inhabituelle.
Par élimination, la seule explication encore viable était celle de l'engloutissement de matière planétaire par chacune des six étoiles. Les modèles utilisés par l'équipe de Keele indiquent qu'il a fallu, dans chaque cas, qu'entre trois et dix masses terrestres de roche soient absorbées pour qu'elles contiennent autant de lithium. Plusieurs planètes telluriques, donc, avalées au cours des derniers millions d'années. Peut-on conclure pour autant à un événement rarissime à l'échelle galactique ? Oui et non. La rareté que l'on observe ici relève surtout d'un biais de détection : ces traces chimiques ne sont visibles que pendant une fenêtre temporelle limitée.
Selon les estimations de l'équipe, 2 à 3 % des naines rouges de faible masse comme celles-ci pourraient être des étoiles cannibales, bien qu'elles puissent être plus fréquentes si le lithium absorbé ne reste pas indéfiniment détectable à leur surface. Une fois ingérée, la matière planétaire continue de se mélanger lentement aux couches internes de l'étoile, où la fusion finit par éliminer le lithium fraîchement apporté. Le taux réel de naines rouges ayant connu un tel épisode pourrait donc être nettement supérieur à celui que les six cas étudiés laissent supposer.
Notre propre Soleil aurait, lui aussi, dans sa prime jeunesse, avalé quelques planètes, il y a de cela 4,5 milliards d'années. Une parenté qui suggère peut-être que ce phénomène serait finalement assez ordinaire dans les premiers stades de formation des systèmes planétaires. Pour confirmer ou infirmer cette hypothèse, la méthode de détection utilisée par Jeffries et ses collègues pourrait devenir un standard en nécroplanétologie. Ces six naines rouges ne sont peut-être que la pointe émergée de l'iceberg et il est possible que le relevé Gaia-ESO regorge de cas similaires dormant encore dans ses archives.
Source : Science Alert
