Abstract

Nos connaissances sur l’évolution des éléments C, N, O, S et P ainsi que de leurs isotopes restent encore limitées. Ces éléments constituent les « briques » indispensables à la formation 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 qui s’est tenue au Centre de conférences Jules Janssen et a tenu sa première réunion annuelle en novembre 2025 au Centre de conférences Jules Janssen. Cette collaboration vise à approfondir les connaissances issues des observations sur ces éléments et leur évolution, ainsi qu’à améliorer nos modèles théoriques relatifs à la nucléosynthèse et à l’évolution chimique de ces éléments.

Les grands programmes d’observation spectroscopique tels que Gaia, WEAVE, 4MOST et MOONS GTO ne suffiront pas à nous fournir une image complète des abondances de ces éléments. La mission PLATO, dont le lancement est prévu début 2027, nous fournira un ensemble d’âges astérosismiques précis. Des observations complémentaires à tous ces programmes sont nécessaires. L’un des objectifs de SPONGE est précisément de mener ces observations et de développer nos connaissances théoriques afin d’interpréter ces données.

Justification scientifique

Comprendre comment les galaxies se forment et évoluent reste l’un des défis les plus redoutables de l’astrophysique moderne. Pour y répondre, les « archéologues galactiques » s’appuient sur les abondances et les rapports d’abondance des éléments chimiques mesurés dans le gaz et les étoiles. En effet, les étoiles de masses initiales différentes réintègrent l’ISM sous forme d’éléments à des échelles de temps différentes, ce qui fait de leurs rapports d’abondance d’excellents indicateurs de l’histoire de la formation et des échelles de temps évolutives des galaxies hôtes. Les éléments du CNOPS sont particulièrement adaptés à ce type d’études : leurs abondances sont déterminées à l’aide de différentes techniques, tant dans les atmosphères stellaires que dans le gaz dense et diffus, aussi bien dans l’univers local que dans les systèmes à fort décalage vers le rouge, en utilisant comme indicateurs des raies d’absorption et d’émission à différentes longueurs d’onde, allant de l’ultraviolet aux ondes radio.

Au cours de la dernière décennie, Gaia a mesuré les positions et les mouvements des étoiles avec une précision sans précédent, et sa synergie avec les spectrographes à haute résolution situés sur Terre a apporté un éclairage nouveau sur les modèles théoriques de l’évolution des différents composants de la Voie lactée (y compris les vestiges d’anciennes galaxies satellites de la Voie lactée) et des galaxies proches. Les éléments du groupe CNOPS et leurs isotopes rares présentent un intérêt particulier, dans la mesure où ils participent également à la formation des molécules organiques complexes (COM), considérées comme les précurseurs de la vie. Les COM ont fait l’objet de nombreuses observations par les radioastronomes ; cependant, les mesures des rapports isotopiques des éléments du groupe CNOPS dans les nuages moléculaires du disque galactique externe (c’est-à-dire les objets permettant d’étudier le régime de faible métallicité) restent encore rares. La détermination des abondances des éléments CNOPS et de leurs isotopes dans les étoiles permet, en principe, d’étudier toute la gamme de métallicité (des régimes très pauvres en métaux aux régimes supérieurs à la métallicité solaire), mais se heurte à plusieurs problèmes. En particulier, les abondances en C et en N des étoiles brillantes situées au-dessus du pic du RGB (c’est-à-dire des étoiles facilement observables également dans les galaxies satellites de la Voie lactée) sont influencées par des processus de mélange qui modifient les abondances dont ces étoiles ont hérité à leur naissance : il est donc nécessaire d’observer des étoiles plus froides et plus faibles pour permettre une comparaison utile avec les prédictions des modèles d’évolution chimique. Notons que l’azote est l’un des éléments les plus difficiles à mesurer dans les étoiles. On peut y accéder via les bandes CN dans l’ultraviolet proche et l’infrarouge ; cependant, l’analyse est complexe (l’intensité de la bande dépend des abondances du carbone et de l’azote) et entravée par des effets de granulation et des écarts par rapport à l’équilibre thermodynamique local (LTE) difficiles à prendre en compte. L’analyse de la bande UV du NH à 336 nm est plus simple, mais à l’heure actuelle, seuls quelques ensembles télescope/spectrographe permettent d’obtenir des spectres de haute qualité dans cette région, ce qui réduit considérablement la disponibilité des données. Bien que cette bande se situe en dehors de la gamme couverte par l’ensemble des grands programmes de 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 comprise entre 300 et 400 nm avec un rendement élevé et une résolution (R = 20 000) parfaitement adaptée aux analyses 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 naines M constitue l’un des principaux objectifs scientifiques à l’origine du développement d’un spectrographe K pour ANDES, le futur spectrographe à haute résolution (R 100 000) destiné à l’ELT. ANDES permettra également d’accéder aux raies S et P dans les bandes infrarouges pour des étoiles situées au-delà des limites du voisinage solaire, difficiles à observer avec les instruments actuels.

Programme préliminaire

L. Lombardo - Abondances d’azote observées dans les étoiles pauvres en métaux dans les relevés MINCE
L. Sgatti - Outils d’intelligence artificielle développés pour la détermination des abondances
A. Al-azzawi – Abondances de CNO et rapports isotopiques du carbone à partir des spectres GIARPS d’étoiles sous-géantes
E. Caffau – Abondance de carbone extrêmement faible dans une étoile à enrichissement en actinides
F. Lucertini – Abondances de phosphore dans les Nuages de Magellan
M. Limongi – Rendements chimiques théoriques
P. Bonifacio – Abondances de CNO dans des étoiles apparemment jeunes et pauvres en métaux du halo galactique
Zou Yipeng – Observations radio du monoxyde de soufre pour déterminer les rapports isotopiques du soufre
D. Aguado – À déterminer
M. Steffen – Corrections d’abondance 3D NLTE pour l’oxygène dans les étoiles pauvres en métaux
C.J. Hansen – Abondances en CNO et rapports isotopiques dans les étoiles CERES
H.-G. Ludwig – Signatures de granulation dans des simulations hydrodynamiques 3D
A. Mucciarelli – Opacités ATLAS pour le calcul de modèles 3D CO5BOLD
B. Barbuy – Abondances en phosphore dans les amas globulaires
P. Molaro – Le rôle des étoiles binaires parmi les étoiles extrêmement pauvres en métaux
A. Gallagher – Calculs NLTE en 1,5D pour les raies atomiques infrarouges de C I et O I

Ces interventions seront complétées par trois ou quatre débats sur des thèmes spécifiques, comme cela avait été le cas en novembre 2025.