ASTRONOMIE - Un jumeau du Soleil aide à résoudre l'énigme du lithium solaire

Parmi les naines jaunes, l'atmosphère du Soleil est particulièrement pauvre en lithium. Cette anomalie était-elle réelle et peut-on la lier à l'âge de notre étoile ? La découverte d'un excellent jumeau du Soleil, plus âgé que lui, HIP 102152, a permis aux astrophysiciens d'établir une corrélation nette entre manque de lithium et âge d'une étoile. Mais ils n'en comprennent toujours pas vraiment la raison...


Cette image montre le jumeau solaire HIP 102152, une étoile située à 250 années-lumière de la Terre dans la constellation du Capricorne (la Chèvre de Mer). HIP 102152 ressemble davantage au Soleil que tout autre jumeau solaire – mis à part le fait qu'il est plus âgé d'environ quatre milliards d'années, ce qui nous offre l'opportunité sans précédent d'étudier le vieillissement du Soleil. Il s'agit du plus vieux jumeau solaire identifié à ce jour. Il a fait l'objet d'une étude détaillée de la part d'une équipe internationale dirigée par des astronomes au Brésil et utilisant le VLT de l'Eso.

Deux énigmes concernant les abondances du lithium dans l’univers sont célèbres en astrophysique. La plus connue est celle du lithium cosmologique et l'autre pourrait s'appeler l'énigme du lithium solaire. À l'origine, elle n’était qu’un obscur problème mariant astrophysique nucléaire et théorie des atmosphères stellaires.

On avait remarqué, il y a près de 60 ans, que l’atmosphère du Soleil était particulièrement pauvre en lithium par rapport à celles des étoiles de la même famille, les naines jaunes. Or, si l’on sait qu'au sein des étoiles certaines réactions thermonucléaires sont capables de détruire les noyaux de lithium, plutôt fragiles, la faiblesse des températures de couches supérieures du Soleil ne pouvait en aucun cas expliquer le manque de lithium. Le problème était en fait double : pourquoi le Soleil contient-il si peu de lithium et pourquoi est-il plus pauvre que certains de ses cousins.

La quête des jumeaux solaires.

Dans l’univers observable, le lithium, troisième élément de la classification périodique, a été créé lors du Big Bang, en même temps que l'hydrogène et l'hélium. On devait donc s’attendre à ce que les étoiles débutent toutes leur vie avec des abondances de lithium par rapport à ces éléments peu différentes les unes des autres. Certes, le lithium peut être détruit dans des étoiles massives et chaudes et on sait que le cycle de formation stellaire accompagné par des explosions de supernovae fait évoluer la composition chimique des galaxies. Mais il restait très difficile de comprendre l’appauvrissement en lithium du Soleil en supposant qu’il se soit formé dans une région de la Voie lactée en contenant très peu. Le plus probable, bien qu’on en comprenne mal les raisons, était que le Soleil détruisait des noyaux de lithium au cours du temps.

Des jumeaux solaires qui détruisent du lithium en vieillissant.

Pour rendre cette hypothèse plus crédible il fallait partir en quête de jumeaux du Soleil, c'est-à-dire d’étoiles ayant, en particulier, une masse très proche de celle du Soleil, et mesurer de façon solide les abondances de lithium dans les atmosphères de ces naines jaunes à des âges différents. C’est précisément ce qu’a réussi à faire avec le VLT de l’Eso une équipe internationale conduite par des astronomes au Brésil, comme le montre un article déposé sur arxiv.

On connaissait déjà quelques jumeaux du Soleil mais l’étoile HIP 102152, située à 250 années-lumière de la Terre, lui ressemble particulièrement, notamment pour les abondances de 21 éléments dans leurs atmosphères. Mais l'étoile HIP 102152 est plus âgée que le Soleil d'environ quatre milliards d'années. Grâce au spectrographe Uves équipant le VLT, les chercheurs l’ont étudiée avec grand soin. Son âge, estimé à environ 8,2 milliards d'années, en fait le plus vieux jumeau du Soleil connu à ce jour. Un autre jumeau solaire a été scruté dans l’ultraviolet avec Uves. Il s’agit de l’étoile 18 Scorpii qui, elle, n’est âgée que de 2,9 milliards d'années. Comme chez d’autres jumeaux du Soleil plus jeunes que lui, on y a découvert davantage de lithium.

La conclusion à laquelle sont arrivés les astrophysiciens est bien résumée par TalaWanda Monroe (université de Sao Paulo), l’auteur principal de l'article déposé sur arxiv : « Nous avons découvert que HIP 102152 contient très peu de lithium. Cela montre clairement, et pour la toute première fois, que les jumeaux solaires plus âgés sont effectivement constitués d'une plus faible proportion de lithium que notre Soleil ou les jumeaux solaires plus jeunes. Nous pouvons en déduire avec certitude que ces étoiles détruisent leur lithium à mesure qu'elles vieillissent ».

Cerise sur le gâteau, Uves a révélé que HIP 102152 présentait une déficience en éléments qui abondent dans les météorites et sur Terre. On constate la même chose avec la composition de l’atmosphère solaire. On peut légitimement se demander si HIP 102152 n’est pas entourée d’un cortège planétaire. Une bonne cible pour Seti peut-être ?