Les étoiles variables lumineuses bleues sont des hypergéantes très massives mais rares. L'une d'elles semble avoir disparu sans exploser en supernova, ce qui est possible en devenant directement un trou noir. Ce serait la première observation de ce type de phénomène pour des étoiles aussi massives, mais l'hypothèse n'a rien qui va de soi.

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© ESO, L. Calçada
Sur cette illustration figure l'étoile variable bleue lumineuse de la galaxie naine de Kidman telle qu'elle pouvait être avant qu'elle ne disparaisse mystérieusement.
Les étoiles très massives jouent un rôle important dans l'évolution chimique et physique des galaxies. Elles produisent des éléments lourds, comme le carbone, l'oxygène, l'azote et le fer que l'on retrouve dans les cellules vivantes, via des réactions thermonucléaires qui les conduisent ensuite à exploser en supernovae. D'autres éléments lourds sont aussi synthétisés à cause du flux de neutrons et sont également injectés dans le milieu interstellaire par l'explosion. La métallicité, c'est-à-dire le contenu en éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, de ce milieu va donc croître, influençant la naissance et la composition chimique des autres générations d'étoiles qui vont suivre. Le souffle des explosions des supernovae de ces étoiles et leur rayonnement ultraviolet font également évoluer les galaxies, par exemple en perturbant et rendant turbulent les filaments de matière froide qui alimentent la croissance des galaxies.

On comprend donc que pour concevoir l'origine des éléments du vivant et aussi l'évolution des galaxies qui rendent possible la naissance d'un grand nombre d'exoplanètes, on étudie théoriquement et à l'aide d'observations les étoiles les plus massives pouvant exister dans le cosmos observable.

On sait ainsi, bien qu'elle ne soit pas forcément simple à calculer et qu'elle dépende de plusieurs hypothèses, qu'il existe une luminosité limite, dite limite d'Eddington pour une étoile massive. Elle se calcule en considérant la pression de rayonnement produit par l'étoile qui la conduirait à se souffler elle-même, malgré sa propre force de gravitation. On peut montrer alors qu'elle correspond souvent à une masse d'environ 150 fois celle du Soleil, ce que confirme d'ailleurs l'observation notamment de l'amas des Arches, un amas ouvert situé à environ 25.000 années-lumière du Système solaire dans la constellation du Sagittaire, à seulement 100 années-lumière du centre de la Voie lactée. S'il contient environ 150 étoiles parmi les plus brillantes de la Galaxie, leurs masses ne dépassent pas la centaine de masses solaires.

Toutefois, dans certaines conditions, la limite d'Eddington peut être plus élevée, comme dans le cas de l'étoile R136a1, une étoile de type Wolf-Rayet située dans l'amas stellaire R136 à environ 163.000 années-lumière dans la constellation de la Dorade, à proximité du centre de la Nébuleuse de la Tarentule, dans le Grand Nuage de Magellan. On estime en effet aujourd'hui que sa masse est d'environ 315 masses solaires.

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© ESO, IAU and Sky & Telescope
Sur cette carte figure la localisation de la galaxie naine de Kinman, dont une mystérieuse étoile variable bleue lumineuse a disparu. La plupart des étoiles visibles à l’œil nu dans de bonnes conditions d’observation sont représentées, et le système étudié est entouré d’un cercle de couleur rouge.
Des étoiles variables hypergéantes bleues très massives et instables

Pour repousser les limites de nos connaissances sur les étoiles très massives, l'astronome Andrew Allan, doctorant au Trinity College de Dublin, a supervisé une équipe de chercheurs de l'ESO qui publie aujourd'hui un article dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Lui et ses collègues voulaient utiliser l'instrument Espresso pour étudier de nouveau avec des moyens plus puissants une (étoile) variable lumineuse bleue (en anglais, Luminous blue variable ou LBV), une représentante d'astres, également appelés (étoiles), variable de type S Doradus ou variable de Hubble-Sandage. Située dans la galaxie naine de Kinman, à environ à 75 millions d'années-lumière dans la constellation du Verseau, c'était un exemple de ces étoiles variables hypergéantes bleues et très lumineuses extrêmement rares, observées et cataloguées pour la première fois par Edwin Hubble et Allan Sandage en 1953, dans la galaxie d'Andromède.

Il semble qu'il faille parler de cette étoile au passé. « À notre grande surprise, l'étoile avait disparu ! » annonce Allan dans un communiqué de l'ESO. En effet, alors qu'elle était présente dans les archives d'observations faites entre 2001 et 2011, les astronomes ont été incapables de la retrouver dans la galaxie naine quand ils ont voulu observer à nouveau son spectre avec Espresso (pour Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations) à partir du mois d'août 2019. Rappelons qu'il s'agit d'un spectrographe échelle de troisième génération qui succède au célèbre Harps de l'ESO pour la chasse aux exoplanètes, principalement, et que l'on peut utiliser avec la combinaison des quatre télescopes géants du VLT, qui fonctionnait déjà comme un interféromètre optique à longue base, permettant donc de faire de la synthèse d'ouverture comme si l'on disposait d'un télescope géant, le plus grand du monde.

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© Nasa, ESA/Hubble, J. Andrews (U. Arizona)
Image de la galaxie naine de Kinman (2011) avant que l'étoile massive ne disparaisse.
Quelques mois plus tard l'instrument X-shooter, qui équipe également le VLT, a été mis à contribution, sans succès là non plus. Par la suite, les chercheurs se sont également penchés sur les anciennes données collectées au moyen des instruments X-shooter et UVES, ce dernier observant dans l'ultraviolet, et comme l'explique toujours dans un communiqué Andrea Mehner, astronome de l'ESO : « Les archives scientifiques de l'ESO nous ont permis de dénicher et d'utiliser les données acquises du même objet en 2002 et 2009. La comparaison des spectres de haute résolution acquis par UVES en 2002 avec nos observations datées de 2019 et effectuées au moyen d'Espresso, le plus récent spectrographe de haute résolution de l'ESO, s'avéra particulièrement révélatrice, tant d'un point de vue astronomique qu'au plan de l'instrumentation ».

La première étoile très massive devenue un trou noir découverte ?

On sait que les LBV comme celle qui semble avoir disparu dans la galaxie naine de Kinman sont particulièrement instables et qu'elles peuvent faire une série d'éruptions éjectant beaucoup de matière. Elles doivent aussi finir leur vie avec une explosion bien plus violente sous forme de supernova. Mais rien n'indique l'occurrence de cette supernova. On pourrait penser aussi qu'au cours des dernières instabilités ayant rendu l'étoile très lumineuse entre 2001 et 2011, elle a perdu suffisamment de masse avec des explosions pour devenir un astre moins brillant, de sorte que la poussière dans sa galaxie hôte est devenue capable de la cacher au regard des yeux dont l'Humanité s'est dotée au Chili.

Une autre explication est toutefois possible, il suffit de supposer que l'étoile se serait effondrée en un trou noir sans passer par le stade de supernova, absorbant une bonne partie de sa matière. « Si cette hypothèse se trouvait confirmée, il s'agirait de la toute première détection directe d'une telle étoile géante achevant ainsi son existence », indique alors Andrew Allan. L'astronome précise tout de même qu'« il serait très inhabituel qu'une telle étoile massive disparaisse sans donner lieu à une explosion de supernova brillante ».

Il y a probablement d'autres exemples de ces mystères cosmiques qui nous attendent et que nous serons en mesure de percer lorsque l'Extremely Large Telescope (ELT) de l'ESO verra sa première lumière à l'horizon 2025 et qu'il permettra de résoudre en détail les étoiles de galaxies lointaines telle que la naine de Kinman.