Premier recensement des étoiles variables de type Mira-.Type Stars in Galaxy Outside the Local Group
10 June 2003
Une équipe internationale dirigée par l’astronome de l’ESO Marina Rejkuba a découvert plus de 1000 étoiles variables rouges lumineuses dans la galaxie elliptique proche Centaurus A (NGC 5128). Les variations de luminosité et les périodes de ces étoiles ont été mesurées avec précision et révèlent qu’il s’agit pour la plupart d’étoiles variables froides à longue période, dites de « type Mira ». La variabilité observée est causée par la pulsation stellaire. C’est la première fois qu’un recensement détaillé des étoiles variables a été réalisé pour une galaxie en dehors du Groupe local de galaxies (dont la Voie lactée dans laquelle nous vivons est membre). Cela ouvre également une toute nouvelle fenêtre vers l’étude détaillée du contenu stellaire et de l’évolution des galaxies elliptiques géantes. Ces objets massifs sont supposés jouer un rôle majeur dans l’assemblage gravitationnel des amas de galaxies dans l’Univers (surtout pendant les premières phases). Ce projet de recherche sans précédent est basé sur des observations dans le proche infrarouge obtenues pendant plus de trois ans avec l’instrument multimode ISAAC au télescope ANTU du VLT de 8,2 m à l’Observatoire Paranal de l’ESO.
Étoiles variables de type mira
Parmi les étoiles visibles dans le ciel à l’œil nu, environ une sur trois cents (0,3%) présente des variations de luminosité et est désignée par les astronomes comme une « étoile variable ». Le pourcentage est beaucoup plus élevé parmi les grandes étoiles froides (« géantes rouges ») – en fait, presque toutes les étoiles lumineuses de ce type sont variables. Ces étoiles sont connues sous le nom de Mira-variables ; le nom vient du membre le plus important de cette classe, Omicron Ceti dans la constellation du Cétus (la baleine), également connu sous le nom de « Stella Mira » (l’étoile merveilleuse). Sa luminosité change avec une période de 332 jours et elle est environ 1500 fois plus brillante au maximum (magnitude visible 2 et l’une des cinquante étoiles les plus brillantes du ciel) qu’au minimum (magnitude 10 et seulement visible dans les petits télescopes) .
Les étoiles comme Omicron Ceti sont proches de la fin de leur vie. Elles sont très grandes et ont des tailles allant de quelques centaines à environ mille fois celle du Soleil. La variation de luminosité est due aux pulsations au cours desquelles la température et la taille de l’étoile changent radicalement.
Dans la phase d’évolution suivante, les Mira-variables se débarrasseront de leurs couches externes dans l’espace environnant et deviendront visibles sous forme de nébuleuses planétaires avec une étoile chaude et compacte (une « naine blanche ») au milieu d’une nébuleuse de gaz et de poussière.
Several thousand Mira-type stars are currently known in the Milky Way galaxy and a few hundred have been found in other nearby galaxies, including the Magellanic Clouds.
The peculiar galaxy Centaurus A
Centaurus A (NGC 5128) is the nearest giant galaxy, at a distance of about 13 million light-years. Elle est située en dehors du Groupe local de galaxies auquel appartiennent notre propre galaxie, la Voie lactée, et ses galaxies satellites, les Nuages de Magellan.
Le Centaure A est vu en direction de la constellation méridionale du Centaure. Elle est de forme elliptique et fusionne actuellement avec une galaxie compagnon, ce qui en fait l’un des objets les plus spectaculaires du ciel, cf. Photo de presse ESO eso0315 . Elle possède un trou noir très lourd en son centre et est une source de forte émission radio et de rayons X.
Pendant le présent programme de recherche, deux régions de Centaurus A ont été recherchées pour des étoiles de luminosité variable ; elles sont situées à la périphérie de cette galaxie particulière, cf. eso0315b . Un champ extérieur (« Champ 1 ») coïncide avec une coquille stellaire contenant de nombreuses étoiles bleues et lumineuses produites par la fusion galactique en cours ; il se trouve à une distance de 57 000 années-lumière du centre. Le champ intérieur (« Champ 2 ») est plus encombré et se situe à une distance projetée d’environ 30 000 années-lumière du centre..
Trois années d’observations du VLT
Dans des circonstances normales, toute équipe d’astronomes professionnels n’aura accès aux plus grands télescopes du monde que pendant un nombre très limité de nuits consécutives chaque année. Cependant, les recherches approfondies d’étoiles variables comme la présente nécessitent des observations répétées de quelques minutes à quelques heures sur des périodes de plusieurs mois à plusieurs années. Il n’est donc pas possible d’effectuer de telles observations de la manière classique où les astronomes se rendent à chaque fois au télescope.
Heureusement, le système opérationnel du VLT à l’Observatoire Paranal de l’ESO (Chili) est également adapté pour englober ce type de programme à long terme. Entre avril 1999 et juillet 2002, le télescope ANTU du VLT de 8,2 m sur le Cerro Paranal (Chili) a été utilisé en mode service à de nombreuses reprises pour obtenir des images en bande K des deux champs de Centaurus A au moyen de l’instrument multimode ISAAC dans le proche infrarouge. Chaque champ a été observé plus de 20 fois au cours de cette période de trois ans ; certaines des images ont été obtenues dans des conditions de visibilité exceptionnelles de 0,30 arcsec. Un ensemble d’images optiques complémentaires a été obtenu avec l’instrument multimode FORS1 (également sur VLT ANTU) en juillet 1999.
Chaque image de l’instrument ISAAC couvre un champ de ciel mesurant 2,5 x 2,5 arcmin 2. Les images combinées, englobant une exposition totale de 20 heures sont en effet les images infrarouges les plus profondes jamais réalisées du halo d’une galaxie aussi lointaine que Centaurus A, environ 13 millions d’années-lumière.
Découvrir un millier de variables de Mira
Une fois les longues observations terminées, deux autres étapes ont été nécessaires pour identifier les étoiles variables dans Centaurus A .
Premièrement, chaque image ISAAC a été traitée individuellement pour identifier les milliers et les milliers d’images ponctuelles faibles (étoiles) visibles dans ces champs. Ensuite, toutes les images ont été comparées à l’aide d’un logiciel spécial (« DAOPHOT ») pour mesurer la luminosité de toutes ces étoiles dans les différentes trames, c’est-à-dire, en fonction du temps.
Alors que la plupart des étoiles dans ces champs, comme prévu, se sont avérées avoir une luminosité constante, plus de 1000 étoiles ont affiché des variations de luminosité avec le temps ; c’est de loin le plus grand nombre d’étoiles variables jamais découvertes dans une galaxie en dehors du Groupe local de galaxies.
L’analyse détaillée de cet énorme ensemble de données a pris plus d’un an. La plupart des étoiles variables se sont révélées être de type Mira et leurs courbes de lumière (luminosité sur la période de pulsation) ont été mesurées, cf. Photo de presse ESO eso0315 . Pour chacune d’entre elles, les valeurs des paramètres caractéristiques, la période (jours) et l’amplitude de la luminosité (magnitudes) ont été déterminées. Un catalogue des étoiles variables nouvellement découvertes dans Centaurus A a maintenant été mis à la disposition de la communauté astronomique via la revue de recherche européenne Astronomy & Astrophysics.
Marina Rejkuba est heureuse et reconnaissante : « Nous avons vraiment beaucoup de chance d’avoir mené à bien cet ambitieux projet avec autant de succès. Tout dépendait de manière critique de différents facteurs : l’octroi répété de temps d’observation crucial par le Comité des programmes d’observation de l’ESO sur différentes périodes d’observation face à une compétition internationale rigoureuse, la stabilité et la fiabilité du télescope et de l’instrument ISAAC sur une période de plus de trois ans et, non des moindres, l’excellente qualité des observations en mode service, si efficacement réalisées par le personnel de l’Observatoire Paranal. »
Que nous avons appris sur Centaurus A ?
La présente étude des étoiles variables dans cette galaxie elliptique géante est la toute première du genre. Bien que l’évaluation du très grand matériel de données d’observation ne soit pas encore terminée, elle a déjà conduit à un certain nombre de résultats scientifiques très utiles.
Confirmation de la présence d’une population d’âge intermédiaire
Sur la base de recherches antérieures (diagrammes couleur-magnitude optique et proche IR des étoiles dans les champs), l’équipe actuelle d’astronomes avait déjà détecté la présence de populations stellaires d’âge intermédiaire et jeunes dans le halo de cette galaxie. Les étoiles les plus jeunes semblent être alignées avec le puissant jet produit par le trou noir massif au centre.
Certaines des étoiles variables rouges très lumineuses maintenant découvertes confirment la présence d’une population d’étoiles d’âge intermédiaire dans le halo de cette galaxie. Elle contribue également à notre compréhension de la formation des galaxies elliptiques géantes.
Nouvelle mesure de la distance à Centaurus A
La pulsation des étoiles variables de type Mira obéit à une relation période-luminosité. Plus sa période est longue, plus une étoile de type Mira est lumineuse.
Ce fait permet d’utiliser les étoiles de type Mira comme « bougies standard » (objets de luminosité intrinsèque connue) pour les déterminations de distance. Elles ont en fait souvent été utilisées de cette manière pour mesurer des distances précises à des objets plus proches, par exemple à des amas d’étoiles individuels et au centre dans notre galaxie Voie lactée, ainsi qu’à des galaxies du Groupe local, en particulier les nuages de Magellan.
Cette méthode fonctionne particulièrement bien avec les mesures infrarouges et les astronomes ont maintenant pu mesurer la distance à Centaurus A de cette nouvelle manière. Ils ont trouvé 13,7 ± 1,9 millions d’années-lumière, en accord général avec les autres méthodes et les confirmant ainsi.
Étude des gradients de population stellaire dans le halo d’une galaxie elliptique géante
Les deux champs ici étudiés contiennent différentes populations d’étoiles. Une dépendance claire de l’emplacement (un « gradient ») dans la galaxie est observée, qui peut être due à des différences de composition chimique ou d’âge, ou à une combinaison des deux.
La compréhension de la cause de ce gradient fournira des indices supplémentaires sur la façon dont Centaurus A – et en fait toutes les galaxies elliptiques géantes – a été formée et a évolué depuis.
Comparaison avec d’autres galaxies proches bien connues
Des recherches passées ont permis de découvrir des étoiles variables de type Mira à travers la Voie lactée, notre galaxie natale, et dans d’autres galaxies proches du Groupe local. Cependant, il n’y a pas de galaxies elliptiques géantes comme Centaurus A dans le Groupe local et c’est la première fois qu’il a été possible d’identifier ce type d’étoiles dans ce type de galaxie.
La présente enquête ouvre maintenant une nouvelle fenêtre vers les études des constituants stellaires de ces galaxies .
Notes
L’équipe est composée de Marina Rejkuba et David Silva (ESO-Garching, Allemagne), Tim Bedding (École de physique et d’astronomie, Université de Sydney, Australie) et Dante Minniti (Departamento de Astronomía et FONDAP Center for Astrophysics, Pontifica Universidad Catolica de Chile, Santiago, Chili).
Mira ( Omicron Ceti ), une étoile géante rouge froide, est l’une des étoiles variables les plus célèbres du ciel. David Fabricius (Frise orientale, Allemagne) est reconnu pour l’avoir découverte en 1596 alors qu’il cherchait la planète Mercure. En 1638, Johann Holwarda de la même région a déterminé que sa période était de 11 mois et l’a ainsi établie comme la première variable à longue période découverte. En 1642, Johannes Hevelius (Danzig, aujourd’hui en Pologne) a nommé l’étoile Mira, « la merveilleuse ». On a découvert plus tard qu’il s’agissait d’un système d’étoiles binaires. Une classe entière d’étoiles variables a été nommée d’après cette étoile. Selon la définition astronomique, les étoiles de type « Mira » sont des étoiles variables dont la période est d’environ 100 à 1000 jours et dont les variations de lumière visuelle sont supérieures à 2,5 magnitudes. .
Plus d’informations
La recherche décrite dans ce communiqué de presse est présentée dans un article de recherche, à paraître prochainement dans la revue de recherche européenne Astronomy & Astrophysics (« Long Period Variables in NGC 5128 : I. Catalogue » par Marina Rejkuba et al.). Il est disponible sur le web sous le numéro astro-ph/0305432 .
Liens
L’instrument multimode ISAAC au télescope ANTU du VLT de 8,2 m à l’Observatoire Paranal de l’ESO.
Contacts
Marina Rejkuba
ESO
Garching, Allemagne
Tel : +49 89 3200-6453
Email : [email protected]
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