Résumé

Nos connaissances sur l’évolution des éléments C, N, O, S et P et de leurs isotopes sont encore limitées. Ces éléments sont la clé de la formation des « briques » nécessaires à la construction des formes de vie. Le projet « Sulphur, Phosphorus, Oxygen, Nitrogen, and (C)arbon Galactic Evolution » (SPONGE) a été lancé en novembre 2024 lors d’une réunion de lancement tenue au Centre de conférences Jules Janssen et vise à améliorer les connaissances observationnelles sur ces éléments et leur évolution, ainsi qu’à améliorer nos modèles théoriques pour la nucléosynthèse et l’évolution chimique de ces éléments. Nous souhaitons souligner que les grandes études spectroscopiques telles que Gaia, WEAVE, 4MOST et MOONS GTO ne suffiront pas à nous fournir une image complète de l’abondance de ces éléments. Des observations complémentaires sont encore nécessaires. L’un des objectifs de SPONGE est précisément d’obtenir de telles observations et de développer nos connaissances théoriques afin d’interpréter ces données. Trois sous-projets ont déjà été lancés. Une réunion annuelle de l’ensemble de la collaboration en mode hybride semble être un bon moyen de faire circuler l’information au sein de la collaboration.

Contexte scientifique

Comprendre comment les galaxies se forment et évoluent reste l’une des tâches les plus redoutables de l’astrophysique moderne. Pour ce faire, les archéologues galactiques utilisent les abondances et les rapports d’abondance des éléments chimiques mesurés dans le gaz et les étoiles. En fait, différents éléments sont restitués à l’ISM à différentes échelles de temps par des étoiles de différentes masses initiales, ce qui fait de leurs rapports d’abondance d’excellentes sondes de l’histoire de l’assemblage et des échelles de temps de l’évolution des galaxies hôtes. Les éléments du CNOPS sont particulièrement adaptés à ce type d’études : leurs abondances sont déterminées par différentes techniques dans les atmosphères stellaires ainsi que dans le gaz dense et diffus, à la fois dans l’univers local et dans les systèmes à grand décalage, en utilisant comme diagnostic les raies d’absorption/émission à différentes longueurs d’onde, allant de l’ultraviolet à la radio.
Au cours de la dernière décennie, Gaia a mesuré les positions et les mouvements stellaires avec une précision sans précédent, et sa synergie avec les spectrographes à haute résolution sur Terre a apporté de nouvelles informations aux modèles théoriques de l’évolution des différents composants galactiques (y compris les restes des anciens satellites de la Voie lactée) et des galaxies proches. Les éléments CNOPS et leurs isotopes rares présentent un intérêt particulier, car ils interviennent également dans la formation des molécules organiques complexes (COM) que l’on pense être les précurseurs de la vie. Les COM ont été largement observées par les radioastronomes, mais les mesures des rapports isotopiques des CNOPS dans les nuages moléculaires du disque galactique externe (c’est-à-dire des objets sondant le régime de faible métallicité) sont encore rares. Les déterminations des abondances des éléments CNOPS et de leurs isotopes dans les étoiles permettent, en principe, de sonder toute la gamme de métallicité (du régime très pauvre en métaux au régime super-solaire), mais elles sont affectées par plusieurs problèmes. En particulier, les abondances de C et de N dans les étoiles brillantes au-dessus de la bosse RGB (c’est-à-dire les étoiles facilement accessibles même dans les satellites de la Voie Lactée) sont affectées par des processus de mélange qui modifient les abondances héritées par les étoiles à la naissance : les étoiles plus froides/plus anciennes doivent être observées pour permettre une comparaison utile avec les prédictions des modèles d’évolution chimique. Nous notons que N est l’un des éléments les plus difficiles à mesurer dans les étoiles. Il est accessible par les bandes CN dans le proche UV et l’IR, mais l’analyse est compliquée (l’intensité de la bande dépend de l’abondance de C et de N) et entravée par des effets de granulation et des écarts par rapport à l’équilibre thermodynamique local (LTE) qui sont difficiles à traiter. L’analyse de la bande UV NH à 336 nm est plus simple, mais des spectres de haute qualité dans cette région ne peuvent être obtenus qu’avec quelques combinaisons télescope/spectrographe à l’heure actuelle, ce qui réduit considérablement la disponibilité des données. Bien que cette bande ne soit pas couverte par les grands relevés spectroscopiques existants ou à venir (par exemple APOGEE, GALAH, WEAVE, 4MOST, MOONS GTO), CUBES, le futur spectrographe du VLT de l’ESO, couvrira la région UV entre 300 et 400 nm avec une grande efficacité et une résolution (R 20 000) bien adaptée à l’analyse de la bande NH. En ce qui concerne les isotopes rares, nous soulignons que la détermination des rapports d’abondance 12C/13C et 16O/18O dans les étoiles naines M constitue l’une des principales exigences scientifiques à l’origine du développement d’un spectrographe K pour ANDES, le futur spectrographe à haute résolution (R 100 000) pour l’ELT.
(R 100 000) pour l’ELT. ANDES permettra également d’accéder aux raies S et P dans les bandes IR pour les étoiles situées au-delà des limites du voisinage solaire, qui sont difficiles à observer avec les instruments actuels.

Preliminary program

D. Romano - Isotopes du carbone dans les naines M et les sous-géantes G/K, résultats de la première année
L. Lombardo - Les isotopes du carbone observés dans les étoiles pauvres en métaux dans les études MINCE et CERES
D. Katz - Abondances d’azote à partir des spectres RVS de Gaia
E. Caffau - Rapports isotopiques du carbone dans les étoiles de très faible métallicité
F. Lucertini - Abondances de soufre dans les galaxies naines du Groupe local
M. Limongi - Nucléosynthèse des éléments et isotopes CNOPS dans les supernovae de faible métallicité
P. Bonifacio - Recherche d’archives de spectres IR adaptés à la détermination des abondances de P
D. Aguado - Abondances d’oxygène dans les étoiles à faible métallicité
M. Steffen - Formation des bandes UV NH dans les modèles 3D CO5BOLD
H.-G. Ludwig - Rôle des champs magnétiques sur la formation des raies dans les modèles 3D CO5BOLD
A. Mucciarelli - Abondances de carbone dans les nuages de Magellan et dans le Sgr dSph en utilisant les spectres GTO de MOONS
P. Panuzzo - Masses dans les systèmes binaires pauvres en métaux
B. Barbuy - L’instrument CUBES pour le VLT de l’ESO
L. Colzi - Perspectives astrobiologiques à partir d’observations de molécules dans l’ISM
P. Molaro - Le rôle des binaires parmi les étoiles extrêmement pauvres en métaux
G. Cescutti - L’étude MINCE, état et perspectives
A. Gallagher - Calculs NLTE 1,5D à l’aide de modèles 3D CO5BOLD
P. François - Carbone et oxygène dans les galaxies naines du Groupe Local