Zoom sur une étoile hypergéante

Du côté des étoiles par Marie-Odile Monchicourt samedi 1 octobre 2011

Elle trône en pleine Voie lactée, c'est l'une des plus brillantes et les plus gigantesques étoiles de toute la Galaxie, mais les astronomes ne l'avaient pas identifiée. Et il a fallu attendre 2011 pour qu'une équipe européenne, observant avec le Very Large Telescope (VLT), à l'observatoire de Cerro Paranal, au Chili, lève le voile sur l'un des astres les plus impressionnants du ciel...

L'étoile IRAS 17163-3907, perdue parmi les millions d'étoiles de la constellation du Scorpion, non loin du centre galactique, était restée inaperçue des astronomes jusqu'en 1976, année où elle fut repérée par l'astronome américain Karl Henize. Celui-ci l'inclus, à tort, comme nous allons le voir, dans son catalogue d'étoiles géantes. En 1983, le satellite IRAS permit de découvrir que cet astre était l'une des plus brillantes sources infrarouges du ciel entier. Et depuis... plus rien ou presque, IRAS 17163-3907 était retournée à l'anonymat galactique. Il est vrai qu'en apparence, l'astre ne paie pas de mine : dans le champ saturé d'étoiles du Scorpion, IRAS 17163-3907 apparaît comme une simple étoile de magnitude 12,5. Cela signifie que cette étoile est près de mille fois plus pâle que la plus faible étoile visible à l'oeil nu. C'est dans le rayonnement infrarouge dit « moyen » qu'elle brille le plus, c'est à dire vers dix microns de longueur d'onde environ. Pour fixer les idées, l'oeil humain perçoit la lumière vers 0,5 micron, l'infrarouge proche s'étend de 1 à 5 microns environ, et l'infrarouge lointain s'étend jusqu'à 100 microns environ, soit 0,1 millimètre...

L'équipe européenne, E. Lagadec, A.A. Zijlstra, R.D. Oudmaijer, T. Verhoelst, N.L.J. Cox, R. Szczerba, D. Mékarnia et H. van Winckel, a donc pointé l'un des quatre grands télescopes de huit mètres de diamètre de l'Observatoire européen austral (ESO) vers le zénith de Cerro Paranal, où passe, à la fin de l'automne austral, la constellation du Scorpion. Eric Lagadec et ses collaborateurs ont eu beaucoup de chance : lors de l'observation, l'atmosphère de la montagne chilienne, située au coeur du désert d'Atacama, était exceptionnellement sèche, exhibant une hauteur d'eau précipitable de seulement 0,43 mm. Une telle sécheresse de l'air est miraculeuse pour les observations dans l'infrarouge moyen, un domaine de longueur d'onde particulièrement difficile à étudier sur Terre. C'est en effet dans l'espace que les télescopes infrarouges sont le plus efficace, comme Spitzer ou Herschel. Mais l'équipe de Eric Lagadec, en observant avec le VLT, avait sur les instruments spatiaux un atout majeur : la taille de son miroir, huit mètres, permettant d'obtenir des images d'une résolution, c'est à dire d'une netteté, bien supérieure à celle des petits miroirs des télescopes spatiaux.

Présent dans la salle de contrôle de l'observatoire, située à une centaine de mètres sous la plateforme sommitale de Cerro Paranal, Eric Lagadec a eu la chance de voir l'astre apparaître à l'écran, au fil des acquisitions de l'instrument infrarouge Visir, qui enregistrait l'image de l'astre. Surprise ! L'étoile, éclatante en infrarouge, révèla deux coquilles concentriques, constituées de gaz et de poussières ! Ces deux coquilles indiquaient l'activité cataclysmique d'une étoile massive, en fin de vie, soufflant autour d'elle une partie de son gaz et des éléments lourds synthétisés dans sa forge nucléaire.
Mais quelle étoile ? A l'analyse, l'équipe de scientifiques a commencé à établir la distance de l'astre, en tenant compte de l'extinction lumineuse provoquée par la poussière interstellaire située dans le plan du disque galactique, soit presque neuf magnitudes. En l'absence de cette poussière, l'étoile IRAS 17163-3907 serait parfaitement visible à l'oeil nu...

Ce fut la seconde surprise : IRAS 17163-3907 est beaucoup plus lointaine qu'on l'imaginait jusqu'ici ; l'astre se situe à environ 13 000 années-lumière de la Terre. Connaissant la distance de l'étoile, son flux infrarouge et l'absorption lumineuse énorme qu'elle subit dans le domaine visible, l'équipe européenne a pu enfin dresser le portrait robot de IRAS 17163-3907.
Un portrait en majesté, plutôt : cette étoile, mille fois plus grande que le Soleil, est cinq cent mille fois plus lumineuse que lui ! Pour Eric Lagadec et ses collègues, IRAS 17163-3907 est une étoile d'un type rarissime, dont nous ne connaissons que quelques exemples dans toute la Galaxie : une hypergéante jaune. Cette phase de l'évolution d'une étoile massive ne durerait que quelques dizaines, ou centaines d'années. Elle interviendrait en fin d'évolution de l'étoile, après la phase, mieux connue, dite de supergéante rouge, durant laquelle la surface immense et froide de l'astre s'évapore lentement dans l'espace. Les supergéantes rouges sont bien connues des astronomes, amateurs comme professionnels : Antarès, l'éclatante étoile du Scorpion, en est une, comme Bételgeuse d'Orion.

IRAS 17163-3907, quant à elle, est beaucoup plus chaude et lumineuse qu'une supergéante : sa surface, portée à près de 8000 °C, est presque deux fois plus chaude que celle du Soleil. L'astre, extrêmement instable, commence à éjecter des quantités phénoménales de matière dans l'espace. D'après les astronomes européens, les deux coquilles de gaz en expansion qu'ils ont découvert se propagent, depuis moins de mille ans, à la vitesse de 40 kilomètres/seconde. Ces deux coquilles concentriques sont bien visibles sur l'image du Very Large Telescope présentée ci-dessus, qui, est, d'un point de vue optique, parfaite : pour les initiés, il s'agit d'un composite d'images prises à 8,5 microns, 11,8 et 12,8 microns. Sa résolution atteint 0,3 seconde d'arc, c'est la limite d'un télescope de 8,2 m à cette longueur d'onde. La première coquille gazeuse se trouve à environ trois cents cinquante milliards de kilomètres de l'étoile, la seconde à près de mille milliards de kilomètres, soit un dixième d'année-lumière. Ces nuées gazeuses sont enrichies de 1 % de poussières, et leur masse totale atteindrait celle de quatre Soleil !

Les astronomes connaissent la fin du scénario, mais pas son timing. L'étoile IRAS 17163-3907, dont la masse, peut-être égale à celle d'une vingtaine de soleils, diminue désormais continûment, va bientôt manquer de combustible nucléaire et s'effondrer sur elle-même, avant d'exploser, dans l'éclair fulgurant d'une supernova. Quand ? Demain peut-être, ou après demain, dans dix mille ans... Une seule certitude, l'évolution rapide, à échelle humaine, de l'étoile hypergéante découverte dans le Scorpion va être suivie d'année en année par les chercheurs.

Serge Brunier