Le télescope James-Webb découvre une étrange structure dans une nébuleuse

Les observations effectuées dans les longueurs d’onde submillimétriques ont permis de révéler que la nébuleuse de l’anneau sud, auparavant considérée comme un simple anneau, présente en réalité une structure à double anneau. Cette configuration inhabituelle serait le résultat des interactions entre trois étoiles nichées au cœur de cette nébuleuse. La nébuleuse de l’anneau sud, également connue sous le nom de NGC 3132, est située à environ 2 000 années-lumière de la Terre dans la constellation de Vela, les Voiles. Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue The Astrophysical Journal.

La nébuleuse de l’anneau sud

La nébuleuse de l’anneau sud est une nébuleuse planétaire, mais ces nébuleuses ne sont pas liées à des planètes. Ce sont plutôt les vestiges des dernières émissions d’étoiles mourantes, qui se transforment en naines blanches. Ces nébuleuses se forment à partir de l’enveloppe externe des étoiles mourantes, expulsée dans l’espace après la phase de géante rouge de l’étoile.

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Les données du télescope spatial James-Webb (JWST), en décembre 2022, ont permis de détecter du gaz moléculaire d’hydrogène formant l’« exosquelette » de la nébuleuse. Ce gaz, chauffé par la lumière ultraviolette provenant de la naine blanche, émet une lumière à environ 726 degrés Celsius. Cependant, cet exosquelette ne représente qu’une fraction du gaz moléculaire total de la nébuleuse.

Une équipe dirigée par Joel Kastner, du Rochester Institute of Technology, a utilisé le Submillimeter Array (SMA) pour étudier plus en détail le gaz moléculaire de la nébuleuse, en particulier le monoxyde de carbone. Les observations ont révélé la distribution et la vitesse des molécules de monoxyde de carbone, permettant ainsi de déterminer la structure tridimensionnelle de la nébuleuse.

Révélation d’une structure bipolaire

Comme son nom l’indique, l’anneau austral est principalement en forme d’anneau. Cet anneau s’étend car la nébuleuse se dilate lentement avant de se disperser, d’après les observations du SMA. Mais ces informations ont également permis de cartographier en trois dimensions l’exosquelette moléculaire de la nébuleuse. Cette carte a révélé un deuxième anneau perpendiculaire au premier.

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Cette découverte suggère la présence de trois étoiles au cœur de la nébuleuse, bien que seule l’étoile la plus massive semble avoir atteint la fin de sa vie. Les deux autres étoiles, si elles existent, sont probablement trop proches l’une de l’autre ou trop faibles pour être résolues individuellement, même par le JWST.

De plus en plus de preuves suggèrent que certaines nébuleuses planétaires – du moins celles qui présentent des structures complexes – sont créées lorsqu’une étoile compagnon interfère avec l’étoile centrale mourante. Dans le cas de l’anneau austral, Kastner et ses collègues supposent qu’une troisième étoile plus éloignée orbite autour d’un système triple formé par une binaire proche dans un rayon orbital de 60 unités astronomiques (UA).

Origine de l’anneau

Lorsque les nébuleuses planétaires issues d’un système stellaire binaire dont l’une des étoiles est en fin de vie rayonnent, elles présentent souvent deux lobes étroits ou « pincés » qui ressemblent à un sablier. Ces deux lobes se forment lorsque la matière expulsée par l’étoile mourante est canalisée par le partenaire binaire et part dans une direction polaire plutôt qu’équatoriale. 

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Cette idée est validée par les mesures du JWST dans l’infrarouge moyen, qui montrent un excès de rayonnement infrarouge provenant du système stellaire central. C’est l’indication typique d’un disque poussiéreux créé par les interactions entre la géante rouge et un compagnon binaire proche. Cela explique le premier anneau. L’équipe affirme toutefois que l’origine du second anneau est moins certaine. 

Même si l’anneau sud semble bilobé, une partie de la matière a dû être expulsée par la géante rouge sous la forme d’une enveloppe de matière approximativement sphérique ou ellipsoïdale, au cours d’un événement de perte de masse rapide qui pourrait avoir été sa dernière exhalaison de matière avant de laisser la naine blanche derrière elle. La présence d’une troisième étoile fait que la gravité de l’étoile supplémentaire agit sur la binaire interne, provoquant une « oscillation » de la direction des jets, bien que le système binaire produise une séquence de jets rapides et étroits. Le deuxième anneau aurait été formé par ces jets en précession qui auraient creusé une cavité circulaire dans la composante ellipsoïdale de la nébuleuse. Par ailleurs, la nébuleuse de la Patte de Chat abrite une particularité jamais observée dans l’Univers.