Le spin peut révéler l'âge d'une étoile

Les astronomes disposent de quelques outils pour étudier les étoiles qui leur permettent de déterminer les âges relatifs, comme regarder leurs températures et leur luminosité. En général, les étoiles rougeâtres et oranges sont plus vieilles et plus froides, tandis que les étoiles blanc bleuâtre sont plus chaudes et plus jeunes. Des étoiles comme le Soleil peuvent être considérées comme "d'âge moyen", car leur âge se situe quelque part entre leurs aînés rouges et leurs jeunes frères et sœurs. La règle générale est que les étoiles plus chaudes et beaucoup plus massives, comme les étoiles bleuâtres sur cette image, sont susceptibles de vivre des vies plus courtes. Mais, quels indices existent pour dire aux astronomes combien de temps ces vies seront?

Cette région de l'espace contient de jeunes étoiles très chaudes. La durée de leur vie et leur mort en disent long sur les cycles de vie des étoiles à travers le cosmos. L'étoile très massive R136a1 se trouve dans cette région de formation d'étoiles dans le Grand Nuage de Magellan (une galaxie voisine de la Voie Lactée). NASA / ESA / STScI

Il existe un outil extrêmement utile que les astronomes peuvent utiliser pour déterminer l'âge des étoiles qui est directement lié à l'âge de l'étoile. Il utilise la vitesse de rotation d'une étoile (c'est-à-dire la vitesse à laquelle elle tourne sur son axe). Il s'avère que les taux de spin stellaires ralentissent avec le vieillissement des étoiles. Ce fait a intrigué une équipe de recherche Centre Harvard-Smithsonian d'astrophysique, dirigé par l'astronome Soren Meibom. Ils ont décidé de construire une horloge qui peut mesurer les spins stellaires et ainsi déterminer l'âge de l'étoile.

Pourquoi est-il important de connaître l'âge d'une étoile?

Être capable de dire l'âge des étoiles est la base pour comprendre comment les phénomènes astronomiques impliquant les étoiles et leurs compagnons se déroulent au fil du temps. Connaître l'âge d'une étoile est important pour de nombreuses raisons liées au taux de formation d'étoiles dans les galaxies ainsi qu'à la formation de planètes. 

Concept d'artiste d'un disque protoplanétaire autour d'une étoile nouvellement formée. NASA

Il est également particulièrement pertinent pour la recherche de signes de vie extraterrestre en dehors de notre système solaire. Il a fallu beaucoup de temps à la vie sur Terre pour atteindre la complexité que nous trouvons aujourd'hui. Avec une horloge stellaire précise, les astronomes peuvent identifier les étoiles avec des planètes aussi vieilles que notre Soleil ou plus anciennes.

Le tour d'une étoile raconte l'histoire

Le taux de rotation d'une étoile dépend de son âge, car elle ralentit régulièrement avec le temps, comme un sommet tournant sur une table ralentit après quelques minutes. Le spin d'une étoile dépend également de sa masse. Les astronomes ont découvert que les étoiles plus grandes et plus lourdes ont tendance à tourner plus vite que les étoiles plus petites et plus légères. Il existe une relation mathématique étroite entre la masse, le spin et l'âge. Mesurez les deux premiers, et il est relativement facile de calculer le troisième.

Une impression d'artiste d'une étoile naine blanche en orbite avec pulsar PSR J2222-0137. Il s'agit peut-être de la naine blanche la plus froide et la plus sombre jamais identifiée. Le taux de rotation de cette étoile donne aux astronomes des indices sur son processus de vieillissement. B. Saxton (NRAO / AUI / NSF)

Cette méthode a été proposée pour la première fois en 2003 par l'astronome Sydney Barnes de l'Institut Leibniz de physique en Allemagne. On l'appelle "gyrochronologie" des mots grecs Gyros (rotation), chronos (heure / âge), et logos (étude). Pour que les âges de la gyrochronologie soient exacts et précis, les astronomes doivent calibrer leurs nouvelles horloges stellaires en mesurant les périodes de rotation des étoiles avec des âges et des masses connus. Meibom et ses collègues ont précédemment étudié un groupe d'étoiles vieilles d'un milliard d'années. Cette nouvelle étude examine les étoiles de la grappe de 2,5 milliards d'années connue sous le nom de NGC 6819, élargissant ainsi considérablement la tranche d'âge.

Mesurer la rotation d'une étoile n'est pas une tâche facile. Personne ne peut dire simplement en regardant une étoile à quelle vitesse elle tourne. Ainsi, les astronomes recherchent des changements dans sa luminosité causés par des taches sombres sur sa surface, l'équivalent stellaire des taches solaires. Ceux-ci font partie de l'activité normale du Soleil et peuvent être suivis comme le peuvent les étoiles. Contrairement à notre Soleil, cependant, une étoile éloignée est un point de lumière non résolu. Ainsi, les astronomes ne peuvent pas voir directement une tache solaire traverser le disque stellaire. Au lieu de cela, ils regardent l'étoile s'assombrir légèrement lorsqu'une tache solaire apparaît et s'éclaircir à nouveau lorsque la tache solaire tourne hors de vue.

Ces changements sont très difficiles à mesurer car une étoile typique diminue de beaucoup moins de 1%. Et le temps est un problème. Pour le soleil, une tache solaire peut mettre des jours à traverser le visage de l'étoile. Il en va de même pour les étoiles avec des étoiles. Certains scientifiques ont contourné cela en utilisant les données de la chasse à la planète de la NASA Kepler vaisseau spatial, qui a fourni des mesures précises et continues de la luminosité stellaire.

Une équipe a examiné plus d'étoiles pesant 80 à 140 pour cent autant que le Soleil. Ils ont pu mesurer les spins de 30 étoiles avec des périodes allant de 4 à 23 jours, par rapport à la période de spin actuelle de 26 jours du Soleil. Les huit étoiles de NGC 6819 les plus similaires au Soleil ont une période de rotation moyenne de 18,2 jours, ce qui implique fortement que la période du Soleil était à peu près de cette valeur quand elle avait 2,5 milliards d'années (il y a environ 2 milliards d'années).

L'équipe a ensuite évalué plusieurs modèles informatiques existants qui calculent les taux de rotation des étoiles, en fonction de leurs masses et de leurs âges, et a déterminé quel modèle correspondait le mieux à leurs observations..

Faits rapides

• La vitesse de rotation aide les astronomes à déterminer les informations sur l'âge et l'évolution d'une étoile.
• Les chercheurs étudient continuellement les taux de spin pour comprendre comment les différents types d'étoiles changent avec le temps.
• Notre Soleil, comme les autres étoiles, tourne sur son axe.