En mars 2007 déjà, les mêmes chercheurs franco-suisses, Corinne Charbonnel et Jean-Paul Zahn, avaient proposé une explication à l’évolution de l’hélium 3 dans la Galaxie. Fruit de la nucléosynthèse primordiale aux origines de l’Univers, cet élément léger est également produit par les réactions nucléaires qui opèrent au coeur des étoiles de faible masse comme notre Soleil. En conséquence, les modèles classiques d’évolution chimique de la Galaxie prédisent que l’abondance d’hélium 3 aurait dû fortement augmenter depuis le Big Bang. Or il n’en est rien, comme le montrent les observations des régions H II galactiques ! Dans ces zones qui reflètent la composition actuelle de la matière interstellaire, « Â on ne décèle pas plus d’hélium 3 qu’au moment du Big Bang  », explique Corinne Charbonnel. « Â Nous suggérons que l’hélium 3 est bien produit par les étoiles comme notre Soleil, comme le prédit la théorie, confirme la spécialiste. Mais quand l’étoile devient géante cet élément est détruit avant d’avoir eu le temps d’être rejeté dans la matière interstellaire.  » Dans une publication parue dans Astronomy and Astrophysics (1), Corinne Charbonnel et Jean-Paul Zahn suggéraient alors que c’est le mélange thermohaline qui conduit à la destruction de l’hélium 3 dans les étoiles géantes, et qui concourt à stabiliser la concentration de l’hélium 3 au cours du temps dans la Galaxie. Ce mécanisme permet d’expliquer simultanément d’autres anomalies en carbone, azote et lithium observées à la surface de la majorité des étoiles évoluées de faible masse, et restées inexpliquées depuis plusieurs décennies. L’équipe franco-suisse a montré que ce processus devait désormais être pris en compte dans les modèles d’évolution stellaire.

Figure 1 : Image HST de la Nébuleuse Planétaire NGC 3242, souvent appelée le fantôme de Jupiter (crédits B.Balick, HST/NASA/ESA), et qui rejette de l’hélium 3 en grande quantité dans la matière interstellaire. Les astronomes Corinne Charbonnel et Jean-Paul Zahn suggèrent que cet objet renferme un champ magnétique intense. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Jean-Paul Zahn explique que le phénomène de mélange thermohaline est bien connu en laboratoire et dans les océans sous le nom d’« instabilité de doigts de sel » : il se déclenche dans l’eau salée lorsque la température et la salinité augmentent toutes les deux avec la hauteur. La même instabilité se produit dans les étoiles évoluées, quand la combustion de l’hydrogène est achevée au centre, et qu’elle se poursuit dans une mince couche à la périphérie du coeur de l’étoile : c’est alors l’hélium 3 qui joue en ce cas le rôle du sel. Dès que cette instabilité se déclenche, tout l’hélium 3 produit par l’étoile dans les phases antérieures de son évolution est détruit.

Corinne Charbonnel et Jean-Paul Zahn se sont cette fois penchés sur des observations « récalcitrantes » à ces explications : les éjecta de deux étoiles évoluées, les nébuleuses planétaires, NGC 3242 et J 320, semblent avoir échappé au processus thermohaline, car ils présentent une abondance élevée en hélium 3. Dans leur prochaine publication à paraître dans Astronomy and Astrophysics (2), les chercheurs proposent l’explication suivante : c’est un champ magnétique fossile qui inhibe le mélange thermohaline dans une petite fraction des étoiles évoluées de faible masse, dont NGC 3242 et J 320. Ils suggèrent que ces étoiles particulières seraient ainsi les descendantes des étoiles Ap qui furent les premiers objets après le Soleil dans lesquels un champ magnétique a pu être détecté et qui représentent environ 5% des étoiles de type-A. « Notre hypothèse pourra être testée prochainement grâce àdes observations au Pic du Midi ou au télescope Canada-France-Hawai  » conclut Corinne Charbonnel.

Communiqué de presse écrit par Alice Bomboy, avec le soutien de la SF2A (Société Française d’Astronomie et d’Astrophysique)

Voir aussi le communiqué du Journal A&A | et celui de l’Observatoire de Genève

Références

(1) Thermohaline mixing : a physical mechanism governing the photospheric composition of low-mass giants C.Charbonnel, J.-P. Zahn, 2007, Astronomy & Astrophysics, 467, L15

(2) Inhibition of thermohaline mixing by a magnetic field in Ap star descendants : Implications for the Galactic evolution of 3He C.Charbonnel, J.-P. Zahn, 2007, Astronomy & Astrophysics, sous presse

Contact

Jean-Paul Zahn (Observatoire de Paris, LUTH, et CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013

In March 2007, Corinne Charbonnel, a French CNRS researcher presently at the Geneva University, and Jean-Paul Zahn, astronomer at the Paris Observatory, had already suggested an explanation to the 3He evolution in the Galaxy. Produced during primordial nucleosynthesis at the beginning of the Universe, this light element is also synthesized by nuclear fusion in the core of low-mass stars like our Sun. Consequently classical models predict a significant increase of the 3He abundance since the Big Bang. But that is not the case, as observations of Galactic H II regions have shown. Corinne Charbonnel explains : "There is not more helium 3 now than at the time of Big Bang. [...] We submit that 3He is indeed produced by stars like our Sun, as the theory predicts, but when the stars evolve and become giants this element is destroyed before being ejected in the interstellar space". In a paper published in Astronomy and Astrophysics (1), Corinne Charbonnel and Jean-Paul Zahn suggested that it is thermohaline mixing that destructs 3He in giant stars, and that stabilizes the 3He abundance in the Galaxy. This mechanism could explain other carbon, nitrogen and lithium anomalies found at the surface of most evolved low-mass stars and that remained unexplained so far. The French-Swiss team demonstrated that from now on, this process should be considered by stellar evolution models.

Figure 1 : Image HST de la Nébuleuse Planétaire NGC 3242, souvent appelée le fantôme de Jupiter (crédits B.Balick, HST/NASA/ESA), et qui rejette de l’hélium 3 en grande quantité dans la matière interstellaire. Les astronomes Corinne Charbonnel et Jean-Paul Zahn suggèrent que cet objet renferme un champ magnétique intense. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Jean-Paul Zahn explains that thermohaline mixing is a well-known phenomenon in laboratories and in the oceans. This instability takes the form of salt fingers : it starts when temperature and salinity increase both with height. This same instability appears in evolved stars, when hydrogen combustion is achieved in the core and continues in a thin layer surrounding the stellar core, where 3He acts like salt. Then, all the 3He that the star has produced during its earlier evolution is destroyed.

Corinne Charbonnel and Jean-Paul Zahn now focussed on observations that disagreed with that general scheme : a couple of evolved stars, NGC 3242 and J 320, appear indeed to have eluded the thermohaline mixing because they show a high 3He abundance. In an upcoming paper in Astronomy and Astrophysics, the researchers suggest that a fossil magnetic field suppresses the thermohaline mixing in some rare stars, including NGC 3242 and J 320. They suggest that these specific stars could be descendants of Ap stars. Ap stars were the first objects in which a fossil magnetic field was detected. They account for about 5% of A-type stars. "Our hypothesis will be tested soon with observations at the Pic du Midi or with the Canada-France-Hawaii telescope, " Corinne Charbonnel concludes.

Press release written by Alice Bomboy, with the support of SF2A (Société Française d’Astronomie et d’Astrophysique) See also the A&A Journal Press release | and the one from Geneva Observatory

References

(1) Thermohaline mixing : a physical mechanism governing the photospheric composition of low-mass giants C.Charbonnel, J.-P. Zahn, 2007, Astronomy & Astrophysics, 467, L15

(2) Inhibition of thermohaline mixing by a magnetic field in Ap star descendants : Implications for the Galactic evolution of 3He C.Charbonnel, J.-P. Zahn, 2007, Astronomy & Astrophysics, sous presse

Contact

Jean-Paul Zahn (Observatoire de Paris, LUTH, et CNRS)

Dernière modification le 4 mars 2013