Étoile Wolf-Rayet

MM. Wolf et Rayet décrivent ainsi leur découverte :

« Parmi les nombreuses étoiles dont la lumière a été étudiée à l'aide d'un prisme, on n'en connaît qu'une seule, Gamma de Cassiopée, dont le spectre offre constamment des lignes brillantes. Nous avons l'honneur de signaler à l’Académie l'existence de semblables lignes dans trois étoiles de la constellation du Cygne… Leur spectre se compose d'un fond éclairé dont les couleurs sont à peine visibles. Tous trois présentent une série de lignes brillantes. L'identification des lignes lumineuses de ces étoiles avec celles des spectres des gaz incandescents nous a été impossible… »

(Comptes rendus de l'Académie des sciences, 1867, vol 65, p. 292)

La présence de ces raies en émission est longtemps restée mystérieuse, d'autant que l'on découvrira au début du XX^e siècle leur largeur énorme. Dans les années 1960, les étoiles WR ont tour à tour été identifiées à des étoiles en formation (dites de pré-séquence principale), à des étoiles instables, au résultat d'interactions dans les binaires, et à des étoiles évoluées ayant perdu une masse conséquente[3]. Cette dernière hypothèse est celle qui a rassemblé le plus de suffrages, le scénario d'évolution étant alors surnommé « scénario de Conti » d'après les travaux de Peter Conti et de ses collègues[4], bien qu'il ne soit pas le premier à l'avoir proposé (cf. travaux de Rublev en 1965[5]).

Les étoiles WR éjectent beaucoup de matière, par le biais d'un vent stellaire. Celui-ci est beaucoup plus fort que le vent solaire[6] : la perte de masse atteint en effet un taux de 10⁻⁵ masse solaire par an pour les WR contre 10⁻¹⁴ pour le Soleil ; la vitesse du vent est également bien plus grande, avec environ 2 000 km/s pour les WR.

C'est dans ce vent que naissent les raies larges en émission : le spectre stellaire ne dévoile pas la surface de l'étoile, comme c'est le cas pour le Soleil, mais les couches du nuage entourant celle-ci. La perte de masse ayant amené en surface des zones enrichies en éléments lourds par les réactions nucléaires internes, le spectre est clairement enrichi en métaux (métallicité élevée). Si les raies dominantes proviennent de l'azote, on parle d'étoile WN ; pour le carbone d'étoiles WC et pour l'oxygène d'étoiles WO[7].

Ces étoiles WR sont assez rares : on en connaît actuellement 298 dans notre Galaxie[8] et une centaine dans les Nuages de Magellan.

Une étoile est dite Wolf-Rayet si elle montre certaines caractéristiques spectrales précises dont la plus importante est la présence de raies d'émission larges principalement d'hélium, mais aussi d'azote, et parfois de carbone et d'oxygène. La force relative et la présence ou absence de certaines raies permet de classifier l'étoile Wolf-Rayet. La classification des étoiles Wolf-Rayet est un point toujours délicat puisque les caractéristiques spectrales observables sont le reflet de l'état du vent stellaire, et non directement de la « surface » de l'étoile ou de son cœur, inaccessible.

On distingue trois grandes classes d'étoiles Wolf-Rayet : les étoiles « WN », riches en azote (N) ; les étoiles « WC », riches en carbone (C) ; et les étoiles « WO » pour lesquelles le rapport entre l'oxygène (O) et le carbone (C) est strictement inférieur à un[12]. De plus, on distingue encore les étoiles WN en deux sous-classes : les étoiles WNL (pour WN late en anglais, c'est-à-dire tardive), et les étoiles WNE (pour early en anglais, c'est-à-dire précoce). Cette distinction est aussi valable pour les étoiles WC mais très peu utilisée. Pour être complet, précisons que la classification précise des étoiles Wolf-Rayet se décompose entre 10 sous-types WN : de WN11 à WN2, et 7 sous-types WC : de WC9 à WC2 (mais les étoiles WC sont principalement WC9 ou WC4). La classification précise dépend de la mesure précise des forces relatives de certaines raies, comme définie dans le système de classification de Smith, Shara et Moffat (1996, MNRAS, 281, 163). Enfin, les étoiles WN11 à WN6 sont considérées comme des WNL, et les étoiles WN5 à WN2 sont considérées comme WNE.

Ceci peut paraître inutilement compliqué, mais est en fait la conséquence, comme souvent en astronomie, de raisons « historiques ». La plupart du temps, les astronomes classifient avant de comprendre. On peut utiliser cette classification pour parler de chemins évolutifs. Globalement, le chemin évolutif d'une étoile massive s'écrit ainsi :

O → RSG/LBV → WNL → WNE → WC → SN

où O désigne une étoile de type O, RSG (Red Supergiant) désigne une étoile supergéante rouge, LBV (Luminous Blue Variable) désigne une étoile de type LBV, et SN désigne une supernova. Toutes les étoiles massives ne traversent pas toutes les phases. Cela dépend de trois paramètres initiaux : la masse, la métallicité et la vitesse de rotation.

Spectre de l'étoile Wolf-Rayet WR137, de type spectral WC7.

Les étoiles Wolf-Rayet ont comme progéniteurs les étoiles initialement les plus massives, les étoiles O. Des étoiles moins massives ne forment pas d'étoiles Wolf-Rayet. Bien que la masse initiale minimum pour former une étoile Wolf-Rayet soit connue (environ 15 à 25 masses solaires — cela dépend de la métallicité ambiante), on ne sait pas du tout jusqu'à quelle limite supérieure la masse initiale peut aller, s'il y en a une. Une fois que la combustion de l'hydrogène est terminée (fin de la séquence principale), le cœur se contracte, l'enveloppe se dilate et l'étoile passe par un stade intermédiaire qui peut soit être stable (RSG — supergéante rouge) soit instable (LBV). Il se peut que la combustion en couche de l'hydrogène se fasse pendant ce stade.

Ensuite, si l'étoile est suffisamment massive, la fusion de l'hélium dans le cœur démarre. Puisque cette combustion est largement plus puissante que celle de l'hydrogène, elle dégage beaucoup plus d'énergie, et est à l'origine d'un vent opaque et dense. Puisque le vent est opaque (ou optiquement épais) il n'est plus possible de distinguer la surface, et l'étoile est une Wolf-Rayet. Le vent d'une Wolf-Rayet est si fort (jusqu'à 10^-5 masse solaire par an) qu'il enlève petit à petit toutes les couches supérieures (riches en hydrogène) de l'étoile. Tant que l'étoile possède encore de l'hydrogène dans le vent, elle apparaît comme une WNL. Une fois que l'hydrogène a disparu, elle devient une WNE.

Les produits de la fusion de l'hélium sont principalement le carbone et l'oxygène. Puisque les couches supérieures de l'étoile disparaissent, le carbone devient visible, et l'étoile devient une WC. Une fois que la fusion de l'hélium dans le cœur est terminée, c'est la fusion du carbone qui commence, dont le produit est principalement l'oxygène. Puis il s'ensuit la fusion de l'oxygène en silicium, et ainsi de suite, jusqu'au fer. La stabilité du fer est telle qu'une fois le cœur de fer atteint, la température dans le noyau de l'étoile n'est pas suffisante pour entamer la fusion de cet élément. L'étoile s'effondre donc sur elle-même et explose en supernova[13] - [14].

C'est parmi les étoiles Wolf-Rayet que l'on trouve les étoiles les plus massives de l'univers. Cela peut sembler paradoxal, car s'il s'agit d'étoiles évoluées ayant perdu beaucoup de masse, elles devraient avoir des masses assez faibles. Toutefois, il faut savoir qu'une étoile est classée WR uniquement sur base de l'aspect de son spectre : toute étoile présentant des raies larges en émission est donc classée WR. Parmi ces objets, des « fausses » WR viennent se glisser, des étoiles très lumineuses mais toujours sur la séquence principale - il ne s'agit donc pas d'étoiles évoluées. C'est le cas des records WR 20a, dans l'amas stellaire Westerlund 2, ainsi que NGC 3603 A1, dans l'amas NGC 3603[15].

Les étoiles Wolf-Rayet peuvent donner naissance à une multitude d'objets astrophysiques intéressants. Cela rend leur étude d'autant plus importante. On peut distinguer principalement deux grandes catégories : les résultats de l'évolution d'une étoile simple, et ceux de l'évolution d'une étoile binaire.

Une étoile Wolf-Rayet qui explose en supernova peut donner naissance à une étoile à neutrons ou un trou noir. L'apparition de l'un ou de l'autre dépend de la quantité de matière qui n'est pas éjectée par l'explosion. Si la masse de l'objet central après l'explosion est plus grande que 1,4 masse solaire, le résultat sera une étoile à neutrons. Si elle est plus grande que trois masses solaires, le résultat sera un trou noir. Il est aussi possible que l'explosion détruise complètement l'étoile, et que toute la matière soit éjectée dans le milieu interstellaire.

Bien que la question de savoir s'il faut ou non une étoile binaire ne soit pas encore résolue, les étoiles Wolf-Rayet sont considérées comme les progéniteurs des fameux sursauts de rayons gamma. Le modèle le plus accepté pour l'instant est le modèle du « collapsar » (du verbe collapse, s'effondrer en anglais). Il décrit comment l'effondrement de l'étoile en trou noir durant la supernova crée un jet à très haute énergie, et produit des rayons gamma.

Les résultats de l'évolution d'une étoile binaire Wolf-Rayet, c'est-à-dire qu'au moins l'une des deux étoiles est une Wolf-Rayet, sont peut-être encore plus intéressants puisqu'encore plus variés. Lorsque l'étoile Wolf-Rayet explose en supernova, il y a deux possibilités pour le système binaire. Soit il se détache, soit il reste attaché. Quand le système se détache, il produit alors une étoile à neutrons ou un trou noir à haute vitesse, qui part se balader dans l'espace interstellaire. La seconde étoile part dans la direction opposée. Des études récentes ont réussi à reconstruire le parcours d'une étoile à neutrons à haute vitesse, et celui d'une étoile massive. Ils ont montré que les deux objets avaient la même origine spatiale, et qu'ils avaient été formés très certainement dans l'amas d'étoiles qui se trouvait entre les deux. Cela a été fait aussi pour un trou noir, bien que cela soit largement plus difficile d'étudier un trou noir isolé dans l'espace.

Si le système reste lié, il acquiert certainement une grande vitesse spatiale due à l'explosion. Cependant, on se retrouve avec un système à courte période contenant une étoile à neutrons ou un trou noir, avec une étoile secondaire. Si l'étoile secondaire est une étoile de faible masse (quelques masses solaires), sa matière est aspirée en direction du trou noir ou de l'étoile à neutrons. Cela crée un disque d'accrétion qui spirale autour de l'objet compact, et produit beaucoup de rayons X. Lorsque l'objet compact est une étoile à neutrons, on parle de binaire X de grande masse (High-Mass X-ray binary ou HMXB). Lorsque l'objet compact est un trou noir, on parle d'un microquasar. Les microquasars sont l'équivalent à l'échelle stellaire des quasars dans les galaxies actives. Dans ces dernières, un tore de poussières et de gaz enveloppe un trou noir de plusieurs millions de masses solaires.

Encore plus étrange : lorsque l'étoile secondaire est une étoile relativement massive, elle évolue naturellement vers le stade d'étoile géante rouge. Son rayon croît alors de manière incroyable (plus d'un facteur 100), et peut alors absorber l'étoile à neutrons. C'est la phase d'évolution avec une enveloppe commune. L'étoile à neutrons spirale alors à l'intérieur de l'étoile géante rouge. En fonction du gradient de densité de l'enveloppe de la géante rouge, les modèles prédisent qu'il est possible que l'étoile à neutrons reste prisonnière à l'intérieur. Le résultat serait que l'étoile à neutrons prenne la place du cœur de l'étoile. On parle alors d'objets de Thorne-Żytkow, des noms des deux premiers qui ont théorisé l'existence de tels objets : Kip Thorne et Ana Zytkow[16].

Bien que d'autres modèles montrent que ce genre d'objet n'est pas stable à cause d'une perte d'énergie par neutrinos (ce qui provoquerait l'effondrement complet de l'objet en un trou noir), des programmes d'observations ont été lancés pour savoir si les objets de Thorne-Zytkow existaient bel et bien. Il a été proposé dans la littérature que les étoiles Wolf-Rayet de type WN8 soient justement des objets de Thorne-Zytkow. En effet, les WN8 sont caractérisées par le fait qu'aucune d'elle ne soit apparemment une étoile binaire, qu'elles sont souvent en dehors des amas ou des associations, qu'elles possèdent une grande vitesse spatiale, et qu'elles montrent systématiquement un très grand taux de variabilité stochastique aussi bien en photométrie qu'en polarimétrie ou en spectroscopie.

À ce jour, aucune preuve observationnelle n'a permis de savoir si les objets de Thorne-Żytkow existaient, et s'il fallait les trouver parmi les étoiles Wolf-Rayet de type WN8[14].

• Accès aux Comptes rendus de l'Académie des Sciences sur le site de Bibliothèque nationale de France, où se trouve l'article original de C. Wolf et G. Rayet.