Les étoiles Wolf-Rayet — une étoile rattrape son propre passé

En 1867, Charles Wolf et Georges Rayet découvrent à l'Observatoire de Paris trois étoiles du Cygne dont les spectres semblaient inversés : au lieu de raies d'absorption sombres, de larges bandes d'émission brillantes. On ne connaît aujourd'hui qu'environ 700 étoiles de ce type dans toute la Voie lactée — et l'une des plus belles se trouve au cœur de cette galerie : WR 136, le moteur de la nébuleuse du Croissant.

Une étoile sans peau

Une étoile Wolf-Rayet est l'intérieur mis à nu d'une étoile autrefois très massive. Ce qui commence comme une étoile O de 25 masses solaires ou plus perd, au cours de sa courte vie, la totalité de son enveloppe d'hydrogène — il ne reste que le cœur d'hélium brûlant, chez WR 136 avec une température de surface d'environ 70 000 K et quelques centaines de milliers de luminosités solaires. Un tel cœur nu supporte à peine sa propre lumière : la pression de rayonnement entraîne un vent stellaire à 1 000 à 3 000 km/s, qui emporte chaque année plusieurs masses terrestres de matière — un million de fois plus que le vent solaire.

Ce vent explique aussi le spectre inversé : il est si dense que l'on ne voit pas du tout la surface de l'étoile, mais l'enveloppe en expansion elle-même qui brille. Les raies sont des raies d'émission du vent, élargies par effet Doppler du fait de sa vitesse. Et selon la profondeur à laquelle l'oignon est déjà pelé, c'est l'azote qui domine (classe WN, comme WR 136), le carbone (WC) ou l'oxygène (WO) — le spectre indique quelle cendre de combustion affleure à la surface.

Le chemin vers l'étoile Wolf-Rayet. L'enveloppe est perdue pendant la phase de géante ou de LBV — par des vents denses et lents et par des éruptions, et chez de nombreuses étoiles au profit d'un compagnon dans un système double. Ce n'est qu'ensuite que le cœur brûlant est mis à nu.

Le Croissant : un vent en rattrape un autre

La nébuleuse du Croissant NGC 6888 rend visible un fait simple : la même étoile a soufflé successivement deux vents très différents. Pendant la phase de géante, la matière s'éloignait à quelques dizaines de km/s — dense, froide, lente. Le vent WR actuel est environ cent fois plus rapide. Il rattrape inévitablement le vent ancien et le pousse comme un chasse-neige pour en faire une fine coquille. Ce que nous photographions comme le Croissant n'est donc pas une nébuleuse que l'étoile aurait « éjectée », mais son propre passé, balayé et porté à l'incandescence.

La bulle de vent en coupe : à l'intérieur souffle le vent WR rapide, à la coquille s'accumule l'ancien vent de géante balayé, qui brille en Hα. Juste devant se trouve une fine peau [O III] — exactement le délicat liseré bleu-vert que montrent les poses profondes en duo-bande du Croissant.

Quelques points qui ne figurent qu'implicitement sur l'image :

La coquille porte une marque chimique. La matière balayée provient de l'intérieur de l'étoile et est nettement plus riche en azote que le gaz interstellaire ordinaire — le Croissant porte la signature du cycle CNO. Les vents WR livrent des éléments lourds au milieu interstellaire avant même que la supernova ait eu lieu.
Deux fronts de choc, deux couleurs. Là où la coquille pousse contre le milieu environnant, le gaz comprimé brille en rouge dans Hα ; la fine peau [O III] juste devant marque le gaz fraîchement choqué, excité plus haut. La même logique duo-bande que pour les fronts d'ionisation — sauf qu'ici le moteur est la pression du vent, non celle de la lumière.
Les étoiles doubles sont la seconde voie. Toutes les étoiles WR n'ont pas soufflé leur enveloppe seules : chez beaucoup, un compagnon proche l'a aspirée. Le transfert de masse dans un système double est aujourd'hui considéré comme un canal de formation au moins équivalent — le cœur d'hélium nu au bout du compte est le même. WR 153ab dans la nébuleuse du Lion en est un cas : un système quadruple formé de deux étoiles doubles, dans lequel l'étoile WR a une supergéante O pour partenaire proche.
Pourquoi les nébuleuses annulaires WR sont si rares. La phase WR ne dure que quelques centaines de milliers d'années — un clin d'œil, même face à la courte vie d'une étoile O. La coquille doit se former dans ce délai et rester visible avant de s'effilocher ou que la supernova la déchire.
La fin est une supernova sans hydrogène. Lorsqu'une étoile WR explose, les raies de l'hydrogène manquent dans le spectre — l'enveloppe a depuis longtemps disparu. C'est précisément ce qui définit les supernovae de type Ib et Ic. Les étoiles WR en rotation rapide sont en outre les meilleures candidates pour les sursauts gamma longs.
WR 136 est dans la dernière ligne droite. Une étoile dans cette phase a consommé la plus grande partie de son combustible. Astronomiquement parlant, l'explosion est imminente — ce qui, pour des étoiles, peut certes encore signifier quelques dizaines de milliers à cent mille ans.

Illustration générée par IA d'une bulle de vent Wolf-Rayet : une étoile bleu-blanc centrale dans une bulle de filaments d'hydrogène rouges tressés, enveloppée d'une fine peau [O III] bleu-vert. — La bulle de vent mise en scène : des filaments Hα tressés issus du vent de géante balayé, les plus denses au bord supérieur, à l'extérieur la délicate peau [O III], au centre le cœur brûlant mis à nu. **Cette image est générée par IA** — ce n'est pas une prise de vue, mais une illustration inspirée du Croissant.

Deux étoiles Wolf-Rayet dans un même champ

La nébuleuse du Lion Sh2-132, dans Céphée, à environ 11 000 années-lumière, est le cas rare d'une région H II abritant deux étoiles Wolf-Rayet — et les deux sont pelées à des profondeurs différentes. WR 153ab est une WN6 comme WR 136, la plus brillante avec 9,2 mag, et elle entraîne la grande coquille principale rouge de la nébuleuse. WR 152 est une WN3 : plus chaude, plus avancée, mais moins lumineuse, seulement 11,6 mag. Autour d'elle s'étend une cavité propre qui, en duo-bande, ne brille pas en rouge mais en turquoise. C'est l'étape du diagramme ci-dessus, mais dans d'autres conditions : le Croissant est une bulle de vent dans l'espace vide, la cavité autour de WR 152 une bulle de vent à l'intérieur d'un nuage lumineux. Vent et ionisation travaillent ici de concert, et parce que l'étoile WN3 rayonne assez dur pour ioniser doublement l'oxygène, [O III] remplit tout l'intérieur au lieu de former seulement une fine peau.

Sous notre propre ciel

La nébuleuse du Croissant figure deux fois dans cette galerie — une fois comme portrait à part entière, une fois dans son contexte panoramique —, la nébuleuse du Lion y ajoute deux autres étoiles Wolf-Rayet, et M 33 montre qu'elles ne sont pas une spécialité de la Voie lactée :

Le croissant : un front de choc en train de se déchirer — Le Croissant par la tranche : les bandes brillantes sont l'ancien vent de géante balayé, les plus denses là où la coquille est justement en train de se rompre. Le diagramme ci-dessus est le cas idéal — la vraie coquille est asymétrique, car ni le vent ancien ni le milieu environnant n'étaient uniformes.Ma photographie · C27 Crescent · 20,3′ × 25,4′ · voir la fiche galerie

WR 136 : le moteur au centre — Le responsable lui-même : WR 136 au centre de sa bulle — discrète à côté d'étoiles d'avant-plan plus brillantes, et pourtant la source du vent qui façonne toute la structure. Que le moteur d'une nébuleuse disparaisse presque optiquement est le cas normal pour les bulles de vent.Ma photographie · C27 Crescent · 13,3′ × 8,4′ · voir la fiche galerie

NGC 6888 en contexte — une bulle de vent dans une mer d'émission — Seule la vue panoramique montre l'ordre de grandeur : le Croissant est une petite bulle de vent aux contours nets dans une mer de nébuleuses en émission. Le contraste entre la coquille compacte et dense et le fond Hα diffus est la différence visible entre le travail du vent et celui de la lumière.Ma photographie · IC 1318 Panorama · 1,96° × 1,46° · voir la fiche galerie

P Cygni — une étoile qui a donné son nom à un profil spectral — P Cygni, dans le même champ : une variable bleue lumineuse (LBV) — exactement le type d'étoile qui occupe la phase précédant Wolf-Rayet dans le diagramme des étapes. Son éruption de 1600 l'a rendue brièvement visible à l'œil nu ; son profil spectral fait d'émission et d'absorption décalée vers le bleu reste aujourd'hui encore le signe d'école des vents stellaires denses.Ma photographie · IC 1318 Panorama · 52,5′ × 29,5′ · voir la fiche galerie

La cavité turquoise autour de WR 152 — La cavité turquoise dans la nébuleuse du Lion : la nébuleuse annulaire autour de WR 152, une étoile WN3. La couleur n'est pas ici un effet de style, mais de la physique — le filtre duo-bande sépare [O III] de Hα, et l'oxygène ne l'emporte qu'à proximité d'une étoile très chaude. L'étoile elle-même (marquée dans l'incrustation) disparaît presque optiquement, comme WR 136 dans le Croissant.Ma photographie · NGC 7226 · 52,6′ × 49,0′ · voir la fiche galerie

La salle des machines : WR 153ab, Teutsch 127 et le nuage le plus brillant — La deuxième étoile Wolf-Rayet du même champ : WR 153ab, une WN6 dans un système quadruple, au bord du nuage le plus brillant de la nébuleuse — avec l'amas enfoui Teutsch 127. Ici le milieu environnant est si dense que la coquille principale brille en rouge dans Hα : le même type d'étoile que WR 136, mais une tout autre scène.Ma photographie · NGC 7226 · 36,8′ × 37,6′ · voir la fiche galerie

BCLMP 250 et HD 9483 — Et une fois hors de la Voie lactée : dans la pouponnière d'étoiles BCLMP 250 dans M 33 se trouve une étoile Wolf-Rayet — à près de trois millions d'années-lumière, mais le même type d'étoile avec la même physique. Que l'on puisse l'attribuer à une région précise tient à son énorme luminosité.Ma photographie · M 33 · 16,0′ × 17,2′ · voir la fiche galerie

Pour aller plus loin

Étoile Wolf-Rayet — panorama des classes, des vents et des voies d'évolution (Wikipedia).
Nébuleuse du Croissant (NGC 6888) — la nébuleuse concrète de cette galerie (Wikipedia).
Weaver et al. (1977) — la théorie classique des bulles soufflées par le vent dans le milieu interstellaire.
Crowther (2007) — article de synthèse sur les propriétés physiques des étoiles Wolf-Rayet.