Les étoiles se tournent toutes les 51 minutes, confirmant une prédiction vieille de plusieurs décennies. —


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  • Près de la moitié des étoiles de notre galaxie sont solitaires comme le soleil. L’autre moitié comprend des étoiles qui entourent d’autres étoiles, par paires et par multiples, avec des orbites si serrées que certains systèmes stellaires pourraient s’insérer entre la Terre et la Lune.

    Des astronomes du MIT et d’ailleurs ont découvert un binaire stellaire, ou une paire d’étoiles, avec une orbite extrêmement courte, semblant tourner autour toutes les 51 minutes. Le système semble faire partie d’une classe rare de binaires connue sous le nom de « variable cataclysmique », dans laquelle une étoile similaire à notre soleil orbite étroitement autour d’une naine blanche – un noyau chaud et dense d’une étoile brûlée.

    Une variable cataclysmique se produit lorsque les deux étoiles se rapprochent, sur des milliards d’années, provoquant l’accrétion de la naine blanche ou mangeant de la matière loin de son étoile partenaire. Ce processus peut émettre d’énormes éclairs de lumière variables que, il y a des siècles, les astronomes supposaient être le résultat d’un cataclysme inconnu.

    Le système nouvellement découvert, que l’équipe a étiqueté ZTF J1813+4251, est une variable cataclysmique avec l’orbite la plus courte détectée à ce jour. Contrairement à d’autres systèmes de ce type observés dans le passé, les astronomes ont capturé cette variable cataclysmique alors que les étoiles s’éclipsaient plusieurs fois, permettant à l’équipe de mesurer avec précision les propriétés de chaque étoile.

    Avec ces mesures, les chercheurs ont effectué des simulations de ce que le système est susceptible de faire aujourd’hui et comment il devrait évoluer au cours des prochaines centaines de millions d’années. Ils concluent que les étoiles sont actuellement en transition et que l’étoile semblable au soleil tourne en rond et « donne » une grande partie de son atmosphère d’hydrogène à la naine blanche vorace. L’étoile semblable au soleil finira par être réduite à un noyau principalement dense et riche en hélium. Dans 70 millions d’années, les étoiles migreront encore plus près les unes des autres, avec une orbite ultracourte atteignant seulement 18 minutes, avant de commencer à s’étendre et à s’éloigner.

    Il y a des décennies, des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont prédit que de telles variables cataclysmiques devraient passer à des orbites ultracourtes. C’est la première fois qu’un tel système de transition est observé directement.

    « Il s’agit d’un cas rare où nous avons surpris l’un de ces systèmes en train de passer de l’accrétion d’hydrogène à l’hélium », déclare Kevin Burdge, boursier Pappalardo au département de physique du MIT. « Les gens ont prédit que ces objets devraient passer à des orbites ultracourtes, et il a été longtemps débattu pour savoir s’ils pouvaient devenir suffisamment courts pour émettre des ondes gravitationnelles détectables. Cette découverte met fin à cela. »

    Burgge et ses collègues rapportent leur découverte dans La nature. Les co-auteurs de l’étude comprennent des collaborateurs de plusieurs institutions, dont le Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics.

    Recherche du ciel

    Les astronomes ont découvert le nouveau système dans un vaste catalogue d’étoiles, observé par le Zwicky Transient Facility (ZTF), une enquête qui utilise une caméra attachée à un télescope à l’observatoire Palomar en Californie pour prendre des photos haute résolution de larges bandes du ciel.

    L’enquête a pris plus de 1 000 images de chacune des plus d’un milliard d’étoiles dans le ciel, enregistrant l’évolution de la luminosité de chaque étoile au fil des jours, des mois et des années.

    Burdge a parcouru le catalogue à la recherche de signaux de systèmes à orbites ultracourtes, dont la dynamique peut être si extrême qu’ils devraient émettre des éclats de lumière spectaculaires et émettre des ondes gravitationnelles.

    « Les ondes gravitationnelles nous permettent d’étudier l’univers d’une manière totalement nouvelle », déclare Burdge, qui recherche dans le ciel de nouvelles sources d’ondes gravitationnelles.

    Pour cette nouvelle étude, Burdge a examiné les données ZTF pour les étoiles qui semblaient clignoter à plusieurs reprises, avec une période de moins d’une heure – une fréquence qui signale généralement un système d’au moins deux objets en orbite proche, l’un croisant l’autre et bloquant brièvement sa lumière.

    Il a utilisé un algorithme pour éliminer plus d’un milliard d’étoiles, dont chacune a été enregistrée dans plus de 1 000 images. L’algorithme a filtré environ 1 million d’étoiles qui semblaient clignoter toutes les heures environ. Parmi ceux-ci, Burge a ensuite cherché à vue d’œil les signaux présentant un intérêt particulier. Sa recherche s’est concentrée sur ZTF J1813 + 4251 – un système qui réside à environ 3 000 années-lumière de la Terre, dans la constellation d’Hercule.

    « Cette chose est apparue, où j’ai vu une éclipse se produire toutes les 51 minutes, et j’ai dit, ok, c’est définitivement un binaire », se souvient Burdge.

    Un noyau dense

    Lui et ses collègues se sont ensuite concentrés sur le système en utilisant l’observatoire WM Keck à Hawaï et le Gran Telescopio Canarias en Espagne. Ils ont découvert que le système était exceptionnellement « propre », ce qui signifie qu’ils pouvaient clairement voir sa lumière changer à chaque éclipse. Avec une telle clarté, ils ont pu mesurer avec précision la masse et le rayon de chaque objet, ainsi que leur période orbitale.

    Ils ont découvert que le premier objet était probablement une naine blanche, à 1/100ème de la taille du soleil et environ la moitié de sa masse. Le deuxième objet était une étoile semblable au soleil vers la fin de sa vie, à un dixième de la taille et de la masse du soleil (environ la taille de Jupiter). Les étoiles semblaient également tourner en orbite toutes les 51 minutes.

    Pourtant, quelque chose n’allait pas tout à fait.

    « Cette étoile ressemblait au soleil, mais le soleil ne peut pas entrer dans une orbite de moins de huit heures – qu’y a-t-il ici? » dit Burge.

    Il a rapidement trouvé une explication : il y a près de 30 ans, des chercheurs, dont le professeur émérite du MIT Saul Rappaport, avaient prédit que les systèmes à orbite ultracourte devraient exister en tant que variables cataclysmiques. Alors que la naine blanche mange autour de l’étoile semblable au soleil et ronge son hydrogène léger, l’étoile semblable au soleil devrait brûler, laissant un noyau d’hélium – un élément plus dense que l’hydrogène et assez lourd pour garder les morts étoile sur une orbite étroite et ultracourte.

    Burdge s’est rendu compte que ZTF J1813 + 4251 était probablement une variable cataclysmique, dans l’acte de transition d’un corps riche en hydrogène à un corps riche en hélium. La découverte confirme à la fois les prédictions faites par Rappaport et d’autres, et se présente également comme la variable cataclysmique d’orbite la plus courte détectée à ce jour.

    « Il s’agit d’un système spécial, » dit Burge. « Nous avons eu une double chance de trouver un système qui répond à une grande question ouverte et qui est l’une des variables cataclysmiques les plus admirablement connues. »

    Cette recherche a été financée en partie par le Conseil européen de la recherche.

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