Naines blanches et exoplanètes

Les étoiles naines blanches représentent la phase ultime de l’évolution pour la très grande majorité des étoiles. En effet, plus de 97 % des étoiles terminent leur vie sous cette forme et leur étude permet d’extraire une multitude d’informations utiles sur l’évolution des étoiles en général, ainsi que sur l’historique de formation stellaire de la galaxie. Bien que l’analyse des naines blanches mérite en soi la plus grande des attentions, c’est plutôt ce qui se trouve  autour d’elles qui attire l’attention des chercheurs de l’Institut.

En effet, nous savons depuis peu qu’il est possible d’analyser avec une très grande précision la composition chimique globale de corps rocheux extrasolaires par l’entremise des naines blanches. Après un bref épisode de perte de masse lors de la phase géante rouge, les étoiles comme le Soleil épuisent tout le « carburant » thermonucléaire disponible et leur cœur s’effondre sous leur propre poids. C’est cet astre extrêmement dense (typiquement 60 % de la masse du soleil concentrée dans un volume comparable à celui de la Terre) qui constitue ce que l’on appelle une étoile « naine blanche ».

Puisque la gravité de surface des étoiles naines blanches est extrêmement élevée (en moyenne plus de 100 000 fois celle que l’on retrouve à la surface de la Terre), les éléments légers flottent rapidement à la surface. La très grande pureté en hydrogène ou en hélium observée à la surface de la majorité des naines blanches vient du fait que les éléments plus lourds coulent très rapidement sous la surface.

Des éléments qui ne devraient pas être là!

NASA's Spitzer Space Telescope set its infrared eyes upon the dusty remains of shredded asteroids around several dead stars.

Vue d’artiste d’un astéroïde brisé par les forces de marée d’une naine blanche. Source : Nasa/JPL-Caltech

Étrangement, on observe occasionnellement la présence d’éléments lourds tels que le calcium, le fer et le magnésium dans le spectre de plusieurs naines blanches. Puisque ces éléments ne peuvent avoir été conservés à la surface depuis le début de la vie de la naine blanche, leur présence sous-entend nécessairement qu’ils se sont accrétés très récemment à la surface.

Ce n’est cependant que dans les dernières années que la source de ces éléments à la surface des naines blanches a été identifiée; ceux-ci proviennent de corps rocheux tels que les planètes, les astéroïdes ou les comètes. Ces derniers auraient survécu aux dernières phases évolutives de leur étoile, avant de tomber à sa surface à la suite des perturbations gravitationnelles.

Ainsi, il est maintenant admis que les éléments lourds observés par spectroscopie à la surface de certaines naines blanches sont le résultat de l’accrétion de  poussière de planète ou d’astéroïde à partir d’un réservoir de débris en orbite autour de l’étoile. Il s’agit d’une occasion unique d’étudier la composition chimique  de corps rocheux ayant jadis orbité une étoile lointaine.

Grâce à des observations spectroscopiques à haute résolution de la naine blanche la plus polluée en éléments lourds connue à l’époque, GD 362 (une étoile découverte par notre équipe en 2004), la présence de pas moins de 15 éléments chimiques a pu être révélée. L’analyse des abondances a montré une similitude remarquable avec la composition chimique de la Terre, suggérant qu’une planète de type terrestre avait probablement échoué à la surface de l’étoile.

Des exo-astéroïdes!

An artist’s impression of a massive asteroid belt in orbit around a star.  The new work with SDSS data shows that similar rubble around many white dwarfs contaminates these stars with rocky material and water. Credit: NASA-JPL / Caltech / T. Pyle (SSC).

Vue d’artiste d’un disque de débris et d’une exoplanète autour d’une naine blanche. Source : NASA-JPL/Caltech/T. Pyle (SSC)

Suivant le chemin tracé par l’analyse pionnière de Zuckerman et al., des observations spectroscopiques à haute résolution ont été effectuées pour une demi-douzaine des naines blanches polluées (p.ex. voir Zuckerman et al. 2010 et Klein et al. 2011). Ces travaux ont démontré que les corps responsables de la pollution de ces naines blanches sont composés à plus de 90 %  d’oxygène, de magnésium, de silicium et de fer (en comparaison, 94 % de la masse de la Terre est composée de ces 4 éléments). La masse totale des éléments lourds retrouvée sur ces naines blanches varie entre 1019 et 1023 g, ce qui est similaire à la masse typique de plusieurs des astéroïdes de notre système solaire.

On remarque par contre des variations importantes du ratio Fe/Si, ce qui pourrait être une indication de la présence de différentiation (noyau-manteau-croute) plus ou moins importante d’un corps rocheux à l’autre. Les proportions entre les éléments volatils et réfractaires varient également, ce qui pourrait être une signature du processus de formation à différentes distances par rapport à l’étoile. Une telle diversité est d’ailleurs prédite par des estimations de la composition globale de planètes terrestres basées sur des simulations dynamiques et chimiques de disques protoplanétaires.

L’étude des naines blanches polluées par des éléments lourds nous apporte donc des éléments essentiels à la validation des différents modèles décrivant les processus de formation et d’évolution des planètes de type terrestre sur lesquelles la vie, telle que nous la connaissons, peut se développer.