Les astrophysiciens résolvent le mystère de la "disparition" du soufre dans les nébuleuses planétaires.

Un collage désormais emblématique montrant 22 PNe individuelles bien connues, disposées artistiquement en spirale selon leur taille physique approximative. Crédit : ESA/Hubble et NASA, ESO, NOAO/AURA/NSF à partir d'une idée de l'auteur correspondant et d'Ivan Bojičić, et réalisé par Ivan Bojičić avec l'aide de David Frew et de l'auteur.

Deux astrophysiciens du Laboratoire de Recherche Spatiale (LSR) de l'Université de Hong Kong (HKU) ont enfin résolu une énigme astrophysique vieille de 20 ans concernant les quantités de soufre inférieures à celles attendues trouvées dans les Nébuleuses Planétaires (PNe) par rapport aux attentes et aux mesures des autres éléments et autres types d'objets astrophysiques.

Les niveaux attendus de soufre semblaient depuis longtemps « disparus dans l'action ». Cependant, ils ont enfin fait leur apparition après s'être cachés devant nos yeux, grâce à des données hautement précises et fiables. L'équipe a récemment publié ses découvertes dans Astrophysical Journal Letters.

Les PNe sont des enveloppes gazeuses éjectées et lumineuses de courte durée de vie d'étoiles mourantes qui ont depuis longtemps fasciné et enthousiasmé les astronomes professionnels et amateurs, de par leurs formes colorées et variées. Les PNe vivent seulement quelques dizaines de milliers d'années par rapport à leurs étoiles hôtes, qui peuvent prendre des milliards d'années avant de passer par la phase PN pour devenir des « naines blanches ».

En conséquence, les PNe fournissent un instantané presque instantané de l'agonie stellaire. Ils constituent une fenêtre scientifique vitale sur l'évolution stellaire tardive, car leurs spectres riches en raies d'émission permettent des études détaillées de leurs compositions chimiques.

Des études antérieures ont montré que les spectres optiques des PNe semblaient présenter un déficit variable de l'élément soufre. Ce déficit était difficile à expliquer car le soufre, connu comme un « élément α », devrait être produit de manière synchronisée avec d'autres éléments comme l'oxygène, le néon, l'argon et le chlore dans les étoiles plus massives. Par conséquent, son abondance cosmique devrait également être proportionnelle.

Surprenamment, bien que des corrélations fortes entre les abondances de soufre et d'oxygène aient été observées dans les régions H II (région d'ionisation d'hydrogène) et les galaxies compactes bleues (voir figure 2), les PNe issues d'étoiles de faible à moyenne masse présentent systématiquement des niveaux de soufre inférieurs, donnant ainsi naissance au mystérieux « anomalie du soufre » qui a intrigué et agacé les astronomes depuis des décennies.

Mlle Shuyu Tan, diplômée du MPhil en physique de l'Université de Hong Kong (HKU) et assistante de recherche à HKU LSR, ainsi que son superviseur, le professeur Quentin PARKER, directeur du LSR, ont utilisé un échantillon sans précédent de spectres optiques de très haute qualité signal/bruit (S/B) d'environ 130 PNe situées au centre de notre galaxie. Cet ensemble de données exceptionnel avait un bruit de fond minimal, permettant un examen clair et détaillé des caractéristiques spectrales, aidant l'équipe à résoudre efficacement le mystère.

Ces PNe ont été observées à l'aide du Very Large Telescope de 8 mètres de l'Observatoire européen austral (ESO) au Chili. Il s'est avéré que l'anomalie était essentiellement le résultat d'une mauvaise qualité des données pour les raies d'émission de soufre dans les spectres des PNe. Il a été constaté que l'utilisation de l'oxygène comme comparateur de métallicité de base avec les autres éléments n'était pas précise, et qu'au contraire, l'argon présentait une corrélation plus forte avec l'oxygène pour le soufre et a été suggéré comme un indicateur plus fiable de la métallicité et un élément de comparaison approprié.

Ainsi, lorsqu'un grand échantillon soigneusement sélectionné de PNe sont observés spectroscopiquement avec un S/B élevé sur un grand télescope, non seulement les données ont révélé pour la première fois un comportement « verrouillé » du soufre dans les PNe, comme cela est observé et attendu pour d'autres types d'objets astrophysiques, mais l'anomalie elle-même a effectivement disparu.

Les auteurs ont effectivement réfuté les affirmations antérieures suggérant que l'anomalie du soufre dans les Nébuleuses Planétaires était le résultat de stades d'ionisation du soufre supérieurs sous-estimés ou de flux de raies de soufre faibles. Cette découverte souligne l'importance critique de données de haute qualité pour élucider les mystères scientifiques.