La traque des disques enfouis au cœur des nébuleuses planétaires

La traque des disques enfouis au cœur des nébuleuses planétaires
Résumé :
Une collaboration internationale d'astronomes incluant des chercheurs de l’Observatoire de la
Côte d’Azur a permis l’observation du cœur de trois nébuleuses planétaires compactes par des
techniques de haute résolution angulaire (optique adaptative et interférométrie) au VLT, situé
dans le désert de l'Atacama au Chili. Ces nébuleuses présentent une géométrie complexe
montrant que la perte de masse de leur étoile centrale a été bouleversée par des phénomènes
encore mal compris. On soupçonne souvent l’influence d’un disque de poussière compact qui
a été observée dans les trois cas avec une précision inégalée à ce jour. Ces travaux, publiés en
trois volets dans la revue Astronomy and Astrophysics1,2, et dans une lettre dans la revue
Astrophysical Journal3 et font l’objet d’un article de revue à paraître dans l'ESO Messenger4.
Corps:
A la fin de leurs vies, les étoiles de masses intermédiaires (1-8 masses solaires) subissent un
phénomène de perte de masse qui conduit à la formation d'une enveloppe de poussière et de
gaz autour de l'étoile centrale. Celle-ci se contracte ensuite, et donc se réchauffe, ionisant
ainsi l'enveloppe qui vient d'être éjectée. On assiste ainsi à la formation d'une nébuleuse
planétaire tandis que le cœur central devient une naine blanche. Après une étape transitoire
importante durant laquelle la perte de masse se développe sous la forme d'un vent sphérique,
les phases qui précèdent l'éjection de l'enveloppe sont souvent caractérisées par un
environnement très asymétrique et complexe. La cause de cette perte de symétrie reste
toujours mal comprise, mais la présence d’un disque compacte et dense est souvent suspectée
et même jugée nécessaire par nombre de théories
1
. De même, l’existence de compagnons
faibles orbitant autour de ces étoiles est suggéré et activement recherchée.
En utilisant des techniques d'imagerie à haute résolution dans des domaines spectraux
différents, il est possible d'étudier la morphologie de la matière autour de ces étoiles et, en
particulier, les propriétés de la poussière. Un projet d'observation conduit par O. Chesneau a
été monté en 2003 en collaboration avec une équipe internationale
2
.
Trois jeunes nébuleuses planétaires, dont deux abritent des étoiles chaudes de type Wolf-
Rayet (WR, Teff=30 000K) en fin de vie (répondant au noms barbares CPD-56°8032 et
Hen2-113) et une troisième (OH231.8) contentant une étoile moins évoluée de type Mira
encore froide (Teff=3000K), ont été observées. Les nébuleuses autour de ces objet sont très
morphologiquement complexe et un fort rayonnement en infrarouge thermique est détectable
montrant la signature d’une importante quantité de poussière de composition chimique
inusuelle (mélange de poussière silicatée et carbonée).
Les nébuleuse sont jeunes, donc peu étendues (leurs dimensions sont typiquement de 2-3
seconde d’arc) et ne peuvent être étudiées que par les techniques de haute résolution angulaire
faisant appel à des télescopes de 8m. La détection des disques nécessite une résolution telle
que le mode interférométrique est requis (avec des bases de l'ordre de 40m). Des observations
ont été menées avec l’optique adaptative NACO en bande K, L et M (infrarouge proche),
1
Si l'étoile agonisante fait partie d'un système binaire, il se peut que son compagnon empêche le gaz et la
matière de s'échapper et il se forme un disque stable (ou nom) dont la durée de vie peut être considérable. Les
champs magnétiques circumstellaires sont aussi susceptibles d’être fortement influencés et renforcés par un tel
disque, mais dans ce cas l’origine du disque reste à expliquer.
2
O. De Marco (AMNH, USA) , A. Zijlstra (Manchester Univ), S. Wolf (MPIA, Allemagne) , A. Acker (Obs.
Strasbourg, Fr), G. Clayton (Univ. Baton Rouge, USA), B. Lopez (OCA, Fr),

avec l'interféromètre MIDI du VLTI en bande N (infrarouge moyen), ainsi qu'avec le
télescope spatial Hubble (HST).
Le disque autour de Hen2-113 a pu être résolu directement grâce à l'imagerie avec optique
adaptative (rayon interne Rint de 250 mas, 300 UA à une distance d’environ 4000 année-
lumière
3
, voir Fig.1) mais le disque de CPD-568032, beaucoup plus compact, n’a été révélé
qu’avec le mode interférométrique (Rint de 75mas, 100 UA à une distance similaire, voir
Fig.3) et a donné lieu à une reconstruction au moyen d’un modèle de transfert radiatif. Dans
les deux cas, la température et la masse de poussière de la face interne du disque faisant face
au vent ionisant et très dense de l'étoile de type WR ont été évaluée. De surcroît, dans le cas
de Hen2-113, NACO a mis en évidence une formation continue de poussière autour de l’étoile
chaude, phénomène encore inexpliqué : la poussière a en effet très peu de chance de se
condenser autour d’une étoile si chaude. En ce qui concerne OH231.8, le disque est encore
plus compacte (Rint de 30 mas, 40 UA à 4000 année-lumière). Les données manque encore
pour définir sa géométrie exacte, mais cette mesure apporte un contrainte forte sur les orbites
possibles d’un compagnon chaud récemment mis en évidence. Ce disque est sans conteste
responsable de la formation des structures complexes visibles à plus grande échelle (voir
Fig.2) : reste à définir les mécanismes à l’origine d’une telle structure.
Références :
1- Lagadec, E., Chesneau, O., M. Matsuura, O. De Marco, J.A. de Freitas Pacheco, A.A. Zijlstra, A. Acker, G.C.
Clayton, , 2006, A&A ,448, 203:”New insights on the complex planetary nebula Hen2-113”
http://fr.arxiv.org/abs/astro-ph/0509014
2006, Astronomy and Astrophysics, 448, 203
2- Chesneau, O., Collioud, A. De Marco, O., Wolf, S., Lagadec, E., Zijlstra, A.A., Rothkopf, A., Acker, A., G.C
Clayton, B. Lopez, 2006, A&A ,accepté: “A close look into the equatorial disk at the center of the Planetary
Nebula CPD-56°8032”
http://fr.arxiv.org/abs/astro-ph/0606745
2006, Astronomy and Astrophysics, sous presse
3- Matsuura, M., Chesneau, O., Zijlstra, A.A., Jaffe, W., Waters, L.B.F.M., Yates, J., Lagadec, E., Gledhill, T.,
Etoka, S., Richards, A.M.S., 2006, ApJ Letter , acceptée, “The compact circumstellar material around
OH231.8+4.2”
http://fr.arxiv.org/abs/astro-ph/0606576
2006, Astrophysical Journal Letter, sous presse
4- Zijlstra, A.A., Lagadec, E., Matsuura, M., Chesneau, O., Etoka, S., June 2006, ESO Messenger ,’The compact
disks of post-AGB stars’
Contacts français :
Olivier Chesneau :
Observatoire de la Côte d’Azur
Tel : [phone]
[email protected]
Eric Lagadec :
Université de Manchester
Tel : + 44 1616 306 3932
[email protected]
3
Notez que les distances de ces objets sont très mal définies, à l’exception notable de OH231.8.

Figures:
Gauche: Hen2-113 : Bleu HST, vert NACO bande L, rouge NACO bande M
Droite: OH231.8:
De droite à gauche : de la grande échelle aux plus petite : Image HST de CPD-568032 et
image en bande N (8.7 micron) prise par un télescope de 8m. Deux derniers panneaux :
modèle numérique du disque tel que proposé au vu des données interférométriques et
spectroscopiques.