Que devient un système planétaire quand une étoile meurt ?

Dans le silence de l’espace, une étoile prend forme. Dans un nuage de gaz dominé par l’hydrogène et l’hélium, la gravité resserre la matière jusqu’à ce que son cœur s’allume. La fusion nucléaire s’emballe et l’étoile brille, réchauffant son cortège de planètes. Puis des milliards d’années plus tard, arrivée au terme de sa vie, l’étoile, comme beaucoup de ses semblables, se met à gonfler en géante rouge avant d’expulser son enveloppe formant ainsi une naine blanche, un cœur dense qui refroidit lentement.

À ce stade, l’étoile est bel et bien morte. Elle ne produit plus d’énergie. Pourtant, pour les planètes, les astéroïdes et les comètes qui l’entouraient, l’histoire est loin d’être terminée.

Lorsqu’une étoile perd une grande partie de sa masse, l’équilibre de son système est bouleversé. Les orbites se déplacent, se croisent parfois. Des objets jusque‑là stables peuvent être déviés de leur trajectoire. Certains finissent par s’approcher dangereusement de l’étoile morte.

C’est ce qui semble se produire autour d’une naine blanche située à un peu plus de 100 années-lumières de la Terre. En prenant en compte qu’une année-lumière correspond au trajet parcouru par la lumière en un an, Proxima Centauri, l’étoile la plus proche du Système solaire, est quant à elle distante de 4,22 années-lumières.

Cette étoile n’est donc ni toute proche, ni perdue aux confins de l’Univers. Mais elle est surtout très ancienne : elle est morte depuis environ trois milliards d’années. À titre de comparaison, notre Soleil, âgé de 4,6 milliards d’années, est encore à mi‑parcours de sa vie et ne deviendra une naine blanche que dans cinq milliards d’années.

Une étoile morte toujours active

Découverte en 2019 par le projet participatif Backyard Worlds : Planet 9, cette naine blanche intrigue rapidement les astronomes. À un âge aussi avancé, elle devrait être calme et isolée. Pourtant, plusieurs observations montrent qu’elle interagit encore avec ce qui reste de son ancien système planétaire.

Pour raconter son histoire, donnons-lui un surnom : Gloutonne. Un nom inspiré du fait qu’elle continue d’attirer et d’engloutir la matière autour d’elle.

« Notre étude suggère que le système planétaire de cette étoile pourrait être actif beaucoup plus longtemps qu’on le pensait », explique Érika Le Bourdais, doctorante à l’Université de Montréal et auteure principale d’un article récent publié dans The Astrophysical Journal.

Avec son équipe, elle a rassemblé différentes observations de l’étoile. Certaines permettent de voir la lumière qu’elle émet sous forme de chaleur, d’autres révèlent quels éléments chimiques sont présents à sa surface. En combinant ces indices, les chercheurs ont pu retracer ce qui s’est passé autour de Gloutonne dans un passé relativement récent.

Les restes d’un ancien monde

Lorsqu’une étoile devient une naine blanche, la dynamique de son système planétaire change profondément. Les planètes, les astéroïdes et les comètes qui l’entourent voient leurs orbites perturbées. Certains objets peuvent alors passer suffisamment près de l’étoile pour être déchirés par sa gravité. Ils se fragmentent en une multitude de débris qui se mettent à tourner autour de la naine blanche, avant d’être lentement englouti par l’étoile.

Autour de Gloutonne, les astronomes ont détecté un excès de lumière infrarouge, signature de ce type de débris. Leur analyse révèle aussi la présence d’au moins treize éléments lourds dans l’atmosphère de l’étoile, dont le fer, le nickel, le magnésium et le calcium.

Chez les naines blanches, ces éléments sont normalement difficiles à observer. Ils s’enfoncent rapidement sous la surface et disparaissent en peu de temps. En voir autant signifie donc que Gloutonne est encore train d’engloutir actuellement.

« Jusqu’à cette année, seules dix naines blanches montraient plus de dix éléments lourds, et elles étaient toutes riches en hélium », rappelle Érika Le Bourdais.

La composition en éléments des débris mesurée autour de Gloutonne indique une accrétion récente, estimée entre 35 000 et 120 000 ans. À l’échelle de l’Univers, c’est presque hier.

Étudier le corps d’un système

La nature des éléments détectés permet d’en dire plus sur l’objet englouti. Les proportions élevées de fer et de nickel sont typiques de matériaux provenant d’un noyau métallique.

La faible quantité de carbone mesurée va dans le sens d’un corps sec, doté d’une structure interne composée d’un noyau, d’un manteau et d’une croûte. Autrement dit, Gloutonne est en train d’absorber les restes d’un petit monde, comparable à une planète naine ou à un gros astéroïde rocheux.

Comment un tel objet a‑t‑il pu s’approcher d’une étoile morte depuis si longtemps ? Plusieurs scénarios sont envisagés. Une planète géante encore en orbite pourrait avoir lentement déstabilisé une ceinture d’astéroïdes, même plusieurs centaines de millions d’années après la phase de géante rouge. Une autre possibilité est une rencontre passée avec une étoile voisine, qui aurait modifié les trajectoires internes du système.

Dans tous les cas, la quantité et la composition des débris observés correspondent à un objet de taille importante. Le phénomène observé aujourd’hui s’apparente donc à la lente désintégration d’un monde entier.

Une piste pour observer de nouveaux mondes

Gloutonne n’est pas un cas isolé. Selon Loïc Albert, astrophysicien à l’Université de Montréal, environ 25 % des naines blanches présentent une pollution métallique similaire. Ces systèmes restent en mouvement bien après la mort de leur étoile, marqués par des collisions et des perturbations gravitationnelles qui continuent de remodeler les débris pendant des milliards d’années.

Comprendre ces systèmes aide aussi les astronomes à mieux chercher des exoplanètes, ces planètes en orbite autour d’autres étoiles. En général, leur détection est difficile : les étoiles sont si lumineuses qu’elles masquent presque complètement la faible lumière réfléchie ou émise par les planètes qui les entourent.

Malgré cet avantage, les découvertes restent rares. « Il n’y a qu’une poignée de candidates planètes autour de naines blanches. Certains de mes collègues cherchent depuis plus de vingt ans sans succès », ajoute-t-il. Les planètes doivent en effet être massives, bien séparées de leur étoile, et observées au bon moment pour être détectées directement.

Les nouveaux télescopes spatiaux pourraient toutefois changer la donne. En observant dans l’infrarouge, le télescope James Webb permet déjà de distinguer la faible chaleur émise par les débris froids autour de plusieurs naines blanches, et pourrait à terme révéler la présence de planètes géantes encore intactes.

Les naines blanches comme Gloutonne offrent ainsi une occasion rare : lire, dans les débris d’anciens mondes et les planètes survivantes, une possible image du futur de notre propre système solaire.

Comment le télescope James Webb observe les débris des étoiles mortes

Pour observer les vestiges laissés autour des étoiles mortes, les astronomes ont besoin d’un instrument capable de voir ce que nos yeux, et même de nombreux télescopes, ne perçoivent pas : la chaleur.

Tous les objets, qu’ils soient brûlants ou glacés, émettent une forme de lumière liée à leur température. Plus un objet est froid, plus cette lumière est décalée vers l’infrarouge. Les poussières, les astéroïdes et les fragments de planètes qui gravitent autour des naines blanches sont ainsi presque invisibles en lumière visible, mais brillent faiblement dans l’infrarouge.

C’est précisément là qu’intervient le télescope spatial James Webb. Contrairement à Hubble, conçu principalement pour observer la lumière visible, Webb est optimisé pour capter cette lumière infrarouge. Son miroir de 6,5 mètres de diamètre, près de trois fois plus large que celui de Hubble, lui permet de collecter beaucoup plus de lumière et de détecter des signaux extrêmement faibles.

Cette sensibilité est essentielle pour étudier des systèmes aussi discrets que ceux des naines blanches.

Parmi les instruments de Webb, MIRI (pour Mid-Infrared Instrument) joue un rôle central. Il observe ce que l’on appelle l’infrarouge moyen, une gamme de longueurs d’onde particulièrement adaptée pour mesurer la chaleur émise par les grains de poussière froids. MIRI est équipé à la fois d’une caméra, qui permet de cartographier les débris autour des étoiles, et d’un spectrographe, qui aide à en déduire leur composition.

Dans une étude publiée en 2024, Susan E. Mullally, chercheure au Space Telescope Science Institute, a démontré le potentiel de cet instrument en observant deux naines blanches entourées de disques de débris. Grâce à MIRI, son équipe a pu mettre en évidence des zones plus épaisses, des régions sculptées par des collisions récentes et des structures impossibles à distinguer depuis le sol.