L’astrophysicien Miguel Montargès a un souvenir précis du moment où les étoiles sont devenues des lieux réels pour lui. Il avait 7 ou 8 ans et regardait le jardin de l’appartement de ses parents dans le sud de la France. Une énorme étoile rouge clignotait dans la nuit. Le jeune fan d’espace a relié l’étoile à une carte qu’il avait étudiée dans un magazine d’astronomie et a réalisé qu’il connaissait son nom : Bételgeuse.
Quelque chose a changé pour lui. Cette étoile n’était plus une tache anonyme flottant dans une vaste mer inexplorée. C’était une destination, avec un nom.
« J’ai pensé, wow, pour la première fois… je peux nommer une étoile », dit-il. Cette prise de conscience a changé sa vie.
Depuis lors, Montargès, maintenant à l’Observatoire de Paris, a écrit sa thèse de doctorat et une douzaine d’articles sur Bételgeuse. Il considère l’étoile comme un vieil ami, l’observant plusieurs fois par an, pour le travail et pour le plaisir. Il dit au revoir chaque année en mai lorsque l’étoile glisse derrière le soleil du point de vue de la Terre, et lui dit à nouveau bonjour en août lorsqu’elle revient.
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Alors, fin 2019, lorsque l’étoile brillante a soudainement diminué sans raison apparente, Montargès était un peu alarmé. Certaines personnes ont spéculé que Bételgeuse était sur le point d’exploser dans une supernova brillante qui éclipserait la pleine lune. Les astronomes savent que l’étoile est vieille et que ses jours sont comptés, mais Montargès n’était pas prêt à la voir partir.
« C’est mon étoile préférée », dit-il. « Je ne veux pas qu’elle meure. »
D’autres chercheurs, cependant, étaient impatients de voir Bételgeuse exploser en temps réel. Les supernovas marquent la mort violente d’étoiles au moins huit fois plus massives que le soleil (SN : 11/7/20, p. 20). Mais les astronomes ne savent toujours pas ce qui signalerait qu’une étoile est sur le point d’exploser. Les explosions saupoudrent l’espace interstellaire d’éléments qui finissent par former l’essentiel des planètes et des êtres humains – carbone, oxygène, fer (SN : 18/02/17, p. 24). La question de savoir comment se produisent les supernovas est donc une question qui concerne nos propres origines.
Mais les explosions sont rares – les astronomes estiment qu’il s’en produit une dans notre galaxie seulement quelques fois par siècle. La dernière repérée à proximité, SN 1987A, s’est produite il y a plus de 33 ans dans une galaxie voisine (SN : 18/02/17, p. 20). Bételgeuse n’est qu’une des nombreuses étoiles massives et vieillissantes – appelées supergéantes rouges – qui pourraient devenir supernova à tout moment. Mais comme c’est l’une des plus proches et des plus brillantes, Bételgeuse est celle que les passionnés de l’espace connaissent le mieux.
Alors, lorsque l’étoile a commencé à se comporter bizarrement à la fin de l’année dernière, Montargès et un petit groupe d’irréductibles de Bételgeuse ont braqué tous les télescopes qu’ils pouvaient sur la géante qui faiblissait. Au cours des mois qui ont suivi, l’étoile a retrouvé sa luminosité habituelle, et l’excitation liée à l’imminence d’une supernova s’est estompée. Mais l’avalanche de données recueillies dans l’urgence pour comprendre ce qui se passait pourrait aider à répondre à une autre question de longue date : Comment les vieilles étoiles massives envoient-elles leur matière stellaire constructrice de planètes dans le cosmos avant même d’exploser ?
L’épaule d’Orion
Si vous avez levé les yeux vers les étoiles pendant l’hiver dans l’hémisphère nord, vous avez probablement vu Bételgeuse, que vous le réalisiez ou non. L’étoile est la deuxième plus brillante de la constellation d’Orion, marquant l’épaule gauche du chasseur depuis notre perspective.
Et elle est énorme. Les estimations des statistiques vitales de Bételgeuse varient, mais si elle se trouvait au centre de notre système solaire, l’étoile remplirait une grande partie de l’espace entre le soleil et Jupiter. À environ 15 à 20 fois plus massive que le soleil, quelque part entre 750 et 1 000 fois son diamètre et à environ 550 années-lumière de la Terre, Bételgeuse est généralement entre la sixième et la septième étoile la plus brillante du ciel.
La luminosité de Bételgeuse varie, même dans des circonstances normales. Ses couches externes sont un chaudron bouillonnant de gaz chauds et de plasma. Au fur et à mesure que la matière chaude monte à la surface, l’étoile s’éclaire ; au fur et à mesure que la matière descend vers le noyau, l’étoile s’assombrit. Ce cycle de convection place Bételgeuse sur un variateur d’intensité semi-régulier qui fluctue à peu près tous les 400 jours. La luminosité de l’étoile varie également environ tous les six ans, bien que les astronomes ne sachent pas pourquoi.
Ce qu’ils savent, c’est que Bételgeuse manque de temps. Elle a moins de 10 millions d’années, un jeune âge comparé au soleil vieux d’environ 4,6 milliards d’années. Mais parce que Bételgeuse est si massive et brûle son combustible si rapidement, elle est déjà dans la phase finale de la vie d’une supergéante rouge. Un jour, dans un avenir pas si lointain, l’étoile ne pourra plus supporter son propre poids – elle s’effondrera sur elle-même et rebondira dans une supernova.
« Nous savons qu’un jour elle va mourir et exploser », déclare Emily Levesque, astrophysicienne à l’Université de Washington à Seattle. Mais personne ne sait quand. « En termes astronomiques, ‘un jour’ signifie un jour ou l’autre dans les 200 000 prochaines années. »
En octobre 2019, Bételgeuse a commencé à diminuer d’intensité, ce qui n’était pas trop étrange en soi. Le changement s’inscrivait dans le cycle normal de 400 jours environ, explique l’astronome Edward Guinan de l’université Villanova en Pennsylvanie, qui suit les cycles de luminosité de Bételgeuse depuis les années 1980.
Mais à Noël, Bételgeuse était la plus faible qu’elle ait été depuis plus de 100 ans que les astronomes la mesurent. Et l’assombrissement s’est poursuivi jusqu’en février.
Guinan a été l’un des premiers à tirer la sonnette d’alarme. Le 7 décembre, puis à nouveau le 23 décembre, lui et ses collègues ont publié un bulletin sur le site The Astronomer’s Telegram annonçant l' »évanouissement » de l’étoile et encourageant les collègues astronomes à jeter un coup d’œil.
Il n’y avait aucune raison de penser que l’atténuation était un signe avant-coureur d’une supernova. » Je n’ai jamais dit que ce serait une supernova « , déclare Guinan. Mais comme ces explosions sont si rares, les astronomes ne savent pas quels sont les signaux d’une supernova imminente. L’atténuation pourrait être l’un d’entre eux.
Ce rapport de comportement étrange était tout ce que les astronomes et les amateurs de l’espace avaient besoin d’entendre. En ligne, l’histoire s’est enflammée.
« Sur Twitter, c’était hystérique », dit Andrea Dupree, astrophysicienne au Centre d’astrophysique de Harvard & Smithsonian à Cambridge, Mass. Elle se souvient avoir vu un tweet suggérant que l’explosion allait se produire cette nuit-là, avec le hashtag #HIDE. « Où est-ce que je vais me cacher ? Sous mon bureau ? » (Lorsque Bételgeuse finira par exploser, cela ne fera probablement pas de mal à la vie sur Terre – elle se trouve à une distance sûre.)
La plupart des astronomes ne croyaient pas vraiment que la fin de Bételgeuse était proche, même s’ils se sont précipités pour programmer des temps de télescope. Mais certains se sont laissés emporter par l’excitation.
« Je ne m’attends pas à ce qu’elle explose », se rappelle Guinan en pensant. « Mais je ne veux pas cligner des yeux ». Il s’est inscrit aux alertes téléphoniques des télescopes qui détectent des particules invisibles appelées neutrinos et des ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles. La détection de l’une ou l’autre pourrait être le signe précoce d’une supernova. En janvier, il s’est retrouvé dehors à 1 heure du matin après un rapport d’ondes gravitationnelles en provenance de la direction d’Orion. « C’était nuageux, mais j’ai pensé que je pourrais voir un éclaircissement », dit-il. « J’en suis devenu fou. »
D’autres étaient aussi des croyants, jusqu’à ce que leurs données jettent le doute sur cette notion.
« Je pensais que c’était possible », dit l’astrophysicien Thavisha Dharmawardena de l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, en Allemagne. « Nous savions qu’il y avait d’autres explications, et qu’il faudrait peut-être se pencher sur la question. Mais nous savons que Bételgeuse est une vieille étoile, proche de la fin de sa vie. C’était excitant. »
Deux camps
Lorsque l’étoile a commencé à retrouver sa luminosité habituelle à la mi-février, les rumeurs d’une supernova imminente se sont estompées. Un article publié dans l’Astrophysical Journal du 10 octobre a renforcé la confiance dans la longévité de Bételgeuse, suggérant que l’étoile n’est qu’au début de sa vieillesse et qu’elle a encore au moins 100 000 ans à vivre avant d’exploser. Mais que préparait-elle, si elle n’était pas sur le point d’exploser ?
Au fur et à mesure que les résultats des télescopes du monde entier et de l’espace ont afflué, la plupart des astronomes se sont rangés dans deux camps. L’un dit que l’atténuation de Bételgeuse a été causée par un nuage de poussière craché par l’étoile elle-même, bloquant sa lueur. L’autre camp n’est pas sûr de l’explication, mais dit « non » à la spéculation sur la poussière.
Si la théorie de la poussière s’avère vraie, elle pourrait avoir des implications profondes sur les origines de la chimie complexe, des planètes et même de la vie dans l’univers. Les supergéantes rouges sont entourées de nuages diffus de gaz et de poussière qui regorgent d’éléments qui ne sont forgés que dans les étoiles – et ces nuages se forment avant l’explosion de l’étoile. Avant même de mourir, les supergéantes semblent léguer de la matière à la prochaine génération d’étoiles.
« Le carbone, l’oxygène dans notre corps, cela vient de là – de la supernova et des nuages autour des étoiles mourantes », explique Montargès. Mais on ne sait pas très bien comment ces éléments s’échappent des étoiles en premier lieu. » Nous n’en avons aucune idée « , dit-il.
Montargès espérait que l’étude de l’atténuation de Bételgeuse permettrait aux scientifiques de voir ce processus en action.
En décembre 2019, lui et ses collègues ont pris une image de Bételgeuse en lumière visible avec l’instrument SPHERE sur le Very Large Telescope au Chili. Cette image a montré que, oui, Bételgeuse était beaucoup plus faible qu’elle ne l’était 11 mois plus tôt – mais seulement la moitié inférieure de l’étoile. Peut-être un nuage de poussière asymétrique était-il à blâmer.
Les observations du 15 février 2020 semblent confirmer cette idée (SN : 4/11/20, p. 6). Levesque et Philip Massey, de l’observatoire Lowell à Flagstaff (Arizona), ont comparé les observations de février avec des observations similaires de 2004. La température de l’étoile n’avait pas baissé autant que ce à quoi on pourrait s’attendre si l’assombrissement provenait de quelque chose d’intrinsèque à l’étoile, comme ses cycles de convection, ont rapporté le duo dans les Astrophysical Journal Letters du 10 mars.
Ce qui laissait la poussière comme explication raisonnable. « Nous savons que Bételgeuse perd de la masse et produit de la poussière autour d’elle », dit Levesque. « La poussière aurait pu venir vers nous, se refroidir et bloquer temporairement la lumière. »
Nuage sombre
Un vote fort pour la poussière est venu de Dupree, qui observait Bételgeuse avec le télescope spatial Hubble. Comme Guinan, elle a une relation de plusieurs décennies avec Bételgeuse. En 1996, elle et son collègue Ronald Gilliland ont observé Bételgeuse avec Hubble pour réaliser la première image réelle d’une étoile autre que le soleil. La plupart des étoiles sont trop éloignées et trop faibles pour être vues autrement que comme un point. Bételgeuse est l’une des rares étoiles dont la surface peut être vue comme un disque bidimensionnel – un lieu réel.
À la fin de 2019, Dupree observait Bételgeuse avec Hubble plusieurs fois par an. Elle avait réuni une équipe internationale de chercheurs qu’elle appelle le MOB, pour Mois de Bételgeuse, pour observer fréquemment l’étoile dans une variété de longueurs d’onde de lumière.
L’objectif était le même que celui de Montargès : répondre à des questions fondamentales sur la façon dont Bételgeuse, et peut-être d’autres supergéantes rouges, perdent de la matière. Le MOB disposait d’observations de base antérieures à l’atténuation et avait déjà prévu du temps Hubble pour suivre les cycles de luminosité de l’étoile.
Ces observations ont montré qu’en janvier et mars 2019, Bételgeuse avait l’air » parfaitement normal « , dit Dupree. Mais de septembre à novembre, juste avant l’événement d’atténuation, l’étoile a émis plus de lumière ultraviolette – jusqu’à quatre ou cinq fois sa luminosité UV habituelle – sur son hémisphère sud.
La température et la densité électronique dans cette région ont également augmenté. Et la matière semblait se déplacer vers l’extérieur, s’éloignant de l’étoile et se dirigeant vers la Terre.
La théorie de Dupree et de ses collègues sur ce qui s’est passé, rapportée dans l’Astrophysical Journal du 10 août, est qu’une des bulles géantes de plasma chaud toujours en train de s’agiter dans les couches externes de l’étoile est montée jusqu’au bord de l’atmosphère de l’étoile et s’est échappée, envoyant d’énormes quantités de matière dans l’espace interstellaire. Cela pourrait être une façon pour les supergéantes rouges de se débarrasser de leur matière avant d’exploser.
Une fois qu’elle s’est enfuie de l’étoile, cette matière chaude s’est refroidie, s’est condensée en poussière et a flotté devant Bételgeuse pendant plusieurs mois. Lorsque la poussière s’est dissipée, Bételgeuse est apparue de nouveau plus brillante.
« Il nous semble que ce que nous avons vu avec l’ultraviolet est en quelque sorte le pistolet fumant », dit Dupree. « Cette matière s’est déplacée, s’est condensée et a formé ce nuage de poussière sombre, sombre. »
Paul Hertz, directeur de la division astrophysique de la NASA, a partagé les résultats de Hubble lors d’une réunion publique en ligne de la NASA le 10 septembre comme s’il s’agissait de la réponse finale. « Mystère résolu », a-t-il dit. » Pas de supernova de sitôt. «
Cycles et taches
Peut-être pas – mais cela ne signifie pas que la poussière explique l’assombrissement.
Dharmawardena et ses collègues ont publié dans les Astrophysical Journal Letters du 1er juillet des observations de Bételgeuse qui vont à l’encontre de l’explication par la poussière. Son équipe a utilisé le télescope James Clerk Maxwell à Hawaï en janvier, février et mars pour observer Bételgeuse dans des longueurs d’onde de lumière submillimétrique. « Si nous pensons qu’il s’agit d’un nuage de poussière, le submillimètre est la longueur d’onde parfaite pour l’observer », dit-elle.
La poussière aurait dû rendre Bételgeuse plus brillante dans ces longueurs d’onde, car les grains flottants absorbaient et réémettaient la lumière des étoiles. Mais ce n’est pas le cas. Au contraire, l’étoile s’est légèrement assombrie. « Nous avons d’abord pensé que nous avions fait quelque chose de mal – tout le monde dans la communauté s’attendait à ce que ce soit de la poussière », dit-elle. Mais « le fait qu’il n’ait pas augmenté ou soit resté constant dans le submillimètre était à peu près un indice irréfutable qu’il ne s’agissait pas de poussière. »
Les observations infrarouges avec le télescope aéroporté SOFIA auraient dû trouver la signature lumineuse de la poussière aussi, si elle existait. « Elle n’est jamais apparue », déclare Guinan. « Je ne pense pas qu’il s’agisse de poussière »
Au contraire, Guinan pense que l’assombrissement peut avoir fait partie du cycle de convection naturel de Bételgeuse. L’atmosphère extérieure de l’étoile pulse et « respire » en permanence, alors que d’énormes bulles de plasma chaud montent à la surface et redescendent. « Ce phénomène est alimenté par le noyau interne de l’étoile », explique-t-il. « Vous avez des blobs chauds qui montent, ils se refroidissent, ils deviennent plus denses, ils retombent. »
Les multiples cycles qui se synchronisent pourraient expliquer pourquoi l’atténuation de 2019 était si extrême. Guinan et ses collègues ont analysé environ 180 ans d’observations de Bételgeuse, depuis la découverte en 1839 par l’astronome John Herschel que la luminosité de l’étoile varie. Le groupe de Guinan a découvert qu’en plus des cycles d’environ six ans et 400 jours, Bételgeuse pourrait avoir un troisième cycle, plus petit, d’environ 187 jours. Il semble que les trois cycles pourraient avoir atteint leur nadir de luminosité au même moment à la fin de 2019, dit Guinan.
Ou peut-être que l’obscurité dans l’hémisphère sud que l’équipe de Montargès a vu avec SPHERE était une énorme tache d’étoile, propose Dharmawardena. Dans le cas du soleil, ces taches sombres, appelées taches solaires, marquent les sites d’activité magnétique à la surface. Bételgeuse est l’une des rares étoiles sur lesquelles des taches stellaires ont été directement observées.
Mais pour provoquer l’assombrissement de Bételgeuse, il faudrait qu’une tache stellaire soit énorme. Les taches stellaires typiques couvrent environ 20 à 30 % de la surface d’une étoile, explique Dharmawardena. Celle-ci devrait en couvrir au moins la moitié, peut-être jusqu’à 70 %.
« C’est rare », admet Dharmawardena. « Mais ce type d’assombrissement l’est aussi. »
Des perturbations pandémiques
Les analyses continuent d’arriver. Mais juste au moment où Bételgeuse retrouvait sa luminosité normale, la pandémie COVID-19 a frappé.
« Nous espérions avoir beaucoup plus de données », dit Dharmawardena.
Quelques observations sont arrivées juste sous le fil. Les observations de SOFIA ont été faites lors de l’un des derniers vols avant que la pandémie ne cloue au sol l’avion qui transporte le télescope. Et Montargès a jeté un autre coup d’œil avec SPHERE quelques jours seulement avant que son observatoire ne ferme à la mi-mars.
Mais l’un des résultats les plus espérés par Montargès pourrait ne jamais arriver. Désireux de résoudre le mystère de la poussière et de l’absence de poussière, il avait prévu de combiner deux types d’observations : réaliser une image en deux dimensions de l’ensemble du disque de l’étoile, comme Dupree l’a fait avec Hubble dans les années 90, mais dans des longueurs d’onde plus grandes, comme l’infrarouge ou le submillimétrique, comme les images de Dharmawardena au début de 2020. De cette façon, vous pourriez différencier la poussière de l’étoile, a-t-il raisonné.
Seul un observatoire peut faire les deux à la fois : l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ou ALMA, au Chili. Montargès avait prévu de demander à observer Bételgeuse avec ALMA en juin et juillet, lorsque les ciels d’hiver de l’hémisphère sud sont les plus exempts de turbulences. Mais ALMA a fermé en mars et était encore fermé en septembre.
« Quand j’ai réalisé qu’ALMA n’aura pas le temps en juin, j’ai pensé… nous n’allons jamais résoudre ce problème », dit-il. « Nous ne serons peut-être jamais complètement certains, à cause de COVID. »
Toute autre étoile
Montargès et ses collègues ont soumis leur analyse des images SPHERE de mars pour publication. Bien qu’il ne soit pas encore prêt à partager les résultats, il pense qu’ils pourraient rapprocher les deux camps.
En fin de compte, si Bételgeuse a bien craché un nuage de poussière l’année dernière, cela pourrait nous apprendre des choses sur les origines de la vie dans l’univers, dit Montargès. Si le camp de la poussière est même partiellement juste, l’atténuation de Bételgeuse pourrait avoir été la première fois que les humains ont assisté au lancement des graines de la vie dans le cosmos.
En attendant, il est soulagé de voir son étoile préférée briller à nouveau. « Je dois admettre que depuis décembre, depuis que toute cette histoire a commencé, chaque fois que je la vois, je suis comme, ouf, elle est toujours là », dit-il.
Les gens ne cessent de lui demander s’il aimerait que Bételgeuse devienne supernova pour pouvoir l’étudier. « J’aimerais qu’une autre étoile devienne supernova », dit-il. « Antarès, je m’en fiche, elle peut exploser à tout moment. Mais pas Bételgeuse. »