mardi 6 juin 2017

La froideur de la Nébuleuse du Boomerang expliquée


La nébuleuse du Boomerang est l’objet astrophysique le plus froid que l’on connaisse, avec une température de 0,5 K, elle est même plus froide que le rayonnement du fond diffus cosmologique. De nouvelles observations effectuées avec ALMA permettent de comprendre l’origine de cette température extrême.




La nébuleuse du Boomerang est située à environ 5000 années-lumière. Elle est produite par une étoile géante rouge, qui existe toujours au centre de ce vaste nuage de gaz froid. La géante en fin de vie est en train d’expulser son enveloppe pour former ce qui sera dans le futur une nébuleuse planétaire. Dès sa découverte en 1995, les astronomes ont remarqué que la nébuleuse du Boomerang absorbait le rayonnement du fond diffus cosmologique, elle avait donc une température inférieure à 2,735 K.

Raghvendra Sahai (NASA Jet Propulsion Laboratory) et ses collaborateurs ont exploité ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) pour mesurer très précisément les caractéristiques du cœur de la proto-nébuleuse, son énergie cinétique, sa masse, son âge, ses dimensions. Ce qui rend ce gaz si froid, c'est sa vitesse d’expansion, 10 fois plus rapide que ce qu’une étoile de ce type est capable de produire normalement. Les astrophysiciens montrent que la seule façon d’extraire une telle quantité de gaz à une telle vitesse est par l’utilisation d’énergie gravitationnelle via l’interaction de deux étoiles. Une petite étoile aurait ainsi pu pénétrer à l’intérieur de la géante rouge et produire une violente éjection de matière.

Les nouvelles observations effectuées avec ALMA montrent d’ailleurs une forme étonnante en forme de sablier de 20000 unités astronomiques de longueur (1 UA = 150 millions de km), entourant l’étoile de 4 masses solaires, et située au centre de la zone ultra-froide, mais plus chaude. Cette forme particulière peut être attribuée, selon les astrophysiciens qui rapportent leurs observations dans The Astrophysical Journal, à un jet produit par l’étoile centrale qui vient balayer localement le gaz froid. La bulle de gaz froid s’étend quant à elle 6 fois plus loin. Sahai et son équipe montrent que la vitesse d'expansion et le taux de perte de masse de l’étoile augmentent rapidement en fonction du rayon au sein de la bulle de gaz froid, dont la masse totale est supérieure à 3,3 masses solaires.
Ils évaluent la vitesse d’expansion de la nébuleuse à 150 km/s et en concluent que l’éjection a eu lieu il y a 3480 ans environ. Le jet bipolaire chaud, lui, est plus récent, avec moins de 1050 ans. La nébuleuse du Boomerang est donc vue actuellement à une période très particulière de sa « vie », où elle est en train de se réchauffer rapidement et inéluctablement.

Le scénario retenu par Raghvendra Sahai et ses collègues pour expliquer les observations est la fusion d’une étoile compagne avec la géante rouge, et plus exactement avec son cœur, ce qui aurait produit l’éjection à grande vitesse de près de la moitié de son enveloppe, refroidissant d’autant ce gaz.



Référence
The Coldest Place in the Universe: Probing the Ultra-cold Outflow and Dusty Disk in the Boomerang Nebula
R. Sahai et al.
The Astrophysical Journal, Volume 841, Number 2

Illustration 
Image composite en visible (bleu) + millimétrique (rouge) (ESO/NAOJ/NRAO; NASA/ESA Hubble; NRAO/AUI/NSF)