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Blog et Podcast - Astronomie, Astrophysique, Astroparticules, Cosmologie. L'infini se contemple, indéfiniment. ISSN 2272-5768
Curiosité isotopique dans les nébuleuses planétaires
Une équipe d'astrophysiciens vient de mesurer l'abondance isotopique en carbone-13 d'un grand nombre de nébuleuses planétaires, dont certaines bien connues des astronomes amateurs comme la nébuleuse de l'Hélice ou la nébuleuse de la Lyre. Ils trouvent une valeur anormalement élevée pour le carbone-13 par rapport au carbone-12, ce qui met sur la piste d'un phénomène explosif impliquant une capture de protons lors de la naissance de ces nébuleuses. Une étude parue dans The Astrophysical Journal Letters.
C'est par des observations en ondes millimétriques de molécules riches en carbone comme CO, HCN, CN et quelques autres que Lucy Ziurys (Université de l'Arizona) et ses collaborateurs ont étudié, grâce au Submillimeter Telescope (une antenne de 12 m de l'observatoire radioastronomique de Kitt Peak en Arizona, un prototype des antennes de ALMA), la composition isotopique du carbone, c'est à dire l'abondance relative de l'isotope 13 (un noyau atomique comportant 6 protons et 7 neutrons) par rapport à l'isotope 12 (6 neutrons et protons). Sur la Terre, 1,07% du carbone qui nous constitue se trouve être du carbone-13, le reste étant du carbone-12 avec des traces de carbone-14 qui lui est radioactif, a contrario des deux premiers isotopes.
Lucy Ziurys  et ses collaborateurs se sont intéressé à des nébuleuses planétaires de tous les âges, entre 900 ans et 12000 ans, incluant des objets célèbres comme NGC 7293 (nébuleuse de l'Hélice), NGC 6720 (M57 ou nébuleuse de l'Anneau, ou de la Lyre), et NGC 2440, mais aussi d'autres nébuleuses planétaires encore peu explorées comme M3–28, M2–48, ou M3–55).
Dans certains cas le ratio d'abondance des deux isotopes du carbone est si faible qu'il est même inférieur à la valeur minimum qui est atteinte à l'équilibre du cycle de fusion CNO. Des valeurs basses étaient néanmoins attendues pour deux nébuleuses qui se trouvent être riches en oxygène du fait d'une évolution particulière de leur étoile (M2–9 and M2–48), mais les autres sont clairement riches en carbone et ne devraient pas avoir autant de carbone-13 par rapport au carbone-12.
Mais les nébuleuses planétaires étudiées par Ziurys et ses collaborateurs ont un point commun : elles ne sont pas parfaitement sphériques, elles montrent une morphologie plutôt bipolaire, voire multipolaire pour certaines. La Lyre et l'Hélice sont bipolaires notamment. C'est cette forme particulière qui met les astronomes sur une piste sérieuse pour expliquer cette anomalie isotopique dans le carbone...
L'excès de carbone-13 doit être produit selon les astrophysiciens par un processus qui le ramène ensuite rapidement à la surface de l'étoile, avant qu'il ne soit détruit. D'autre part, transformer des couches stellaires de type AGB, initialement sphériques, en objets non-sphériques n'est pas aisé. Bedding et al. avaient pourtant montré en 2011 que des oscillations dipolaires non radiales pouvaient apparaître durant la fusion de l'hélium dans le coeur. Ces oscillations dipolaires pourraient s'étendre dans toute la couche d'hélium et atteindre de grandes amplitudes par des "flashs d'hélium", créant une expansion explosive,  à dominante bipolaire. Selon ce scénario, ces flux explosifs transporteraient de l'hélium et du carbone depuis la couche d'hélium en train de fusionner jusque dans la partie basse de la couche d'hydrogène située au-dessus. L'hydrogène chaud réagirait alors avec le carbone-12 pour former de l'azote-13 par capture d'un proton et l'azote-13 se désintègre rapidement (une demie-vie de 10 minutes) par radioactivité béta+ pour finalement produire du carbone-13. Ce carbone-13 se retrouverait ensuite éjecté de l'enveloppe, emporté par le phénomène explosif.
Ce scénario de production explosive de carbone-13 par capture de proton sur 12C puis décroissance beta de 13N avant éjection bipolaire de l'enveloppe n'est pas nouveau : il avait été proposé dès 1984 par Dominy et al. et déjà utilisé en 2018 par l'équipe de Ziurys pour expliquer un autre cas d'enrichissement isotopique très anormal en 13C et en 15N (dans la belle nébuleuse planétaire bipolaire K4-47).
Il a le gros avantage d'expliquer en même temps la forme singulière de nombreuses nébuleuses dites planétaires et leur composition isotopique tout aussi singulière.
Carbon Isotope Ratios in Planetary Nebulae: The Unexpected Enhancement of 13C
L. M. Ziurys et al.
The Astrophysical Journal Letters, 900 L31 10 September 2020
1) La nébuleuse de l'Hélice (NGC 7293) image composite en UV (Galex) et en infra-rouge (Spitzer) (NASA/JPL-Caltech)
2) la nébuleuse de l'Anneau (NGC 6720 ) imagée avec Hubble (ESA/NASA)
3) La nébuleuse NGC 2440 imagée avec Hubble (ESA/NASA)
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