Les astronomes observent un nouveau type d’étoile binaire dont l’existence est prévue depuis longtemps

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Les chercheurs du Centre du Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian ont observé un nouveau type d’étoile binaire dont l’existence a longtemps été théorisée. La découverte confirme enfin comment un type rare d’étoile dans l’univers se forme et évolue.


Représentation d’artiste d’un nouveau type d’étoile binaire : une naine blanche de masse pré-extrêmement faible (ELM WDs). Sur la photo en bleu, l’étoile perd de la masse au profit d’un compagnon nain blanc et passe à une naine blanche ELM. © M.Weiss/Centre du Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian

La nouvelle classe d’étoiles, décrite dans le numéro de ce mois-ci des Monthly Notices of the Royal Astronomical Society a été découverte par le boursier postdoctoral Kareem El-Badry à l’aide du télescope Shane de l’observatoire Lick en Californie et des données de plusieurs études astronomiques. “Nous avons observé la première preuve physique d’une nouvelle population d’étoiles binaires de transition”, explique El-Badry. “C’est passionnant ; c’est un chaînon évolutif manquant dans les modèles de formation d’étoiles binaires que nous recherchions”.

Un nouveau type d’étoile

Lorsqu’une étoile meurt, il y a 97% de chances qu’elle devienne une naine blanche, un petit objet dense qui s’est contracté et s’est estompé après avoir brûlé tout son carburant. Mais dans de rares cas, une étoile peut devenir une naine blanche de masse extrêmement faible (ELM WDs). Moins d’un tiers de la masse du Soleil, ces étoiles présentent une énigme: si les calculs d’évolution stellaire sont corrects, toutes les naines blanches d’ELM  sembleraient avoir plus de 13,8 milliards d’années – plus que l’âge de l’univers lui-même et donc, physiquement impossible.

“L’univers n’est tout simplement pas assez vieux pour créer ces étoiles par évolution normale”, déclare El-Badry, membre de l’Institut de théorie et de calcul du Center for Astrophysics. Au fil des ans, les astronomes ont conclu que la seule façon pour une naine blanche d’ELM de se former était de s’aider d’un compagnon binaire. L’attraction gravitationnelle d’une étoile compagne proche pourrait rapidement (au moins, en moins de 13,8 milliards d’années) ronger une étoile jusqu’à ce qu’elle devienne une naine blanche ELM. Mais les preuves de cette image ne sont pas infaillibles.

Les astronomes ont observé des étoiles massives normales comme notre Soleil s’accumulant sur des naines blanches – ce qu’on appelle des variables cataclysmiques. Ils ont également observé des naines blanches ELM avec des compagnes naines blanches normales. Ils n’avaient cependant pas observé la phase de transition de l’évolution, ou la transformation entre les deux : lorsque l’étoile a perdu la majeure partie de sa masse et s’est presque contractée en une naine blanche ELM.

Un lien évolutif manquant

El-Badry compare souvent l’astronomie stellaire à la zoologie du XIXe siècle. “Vous sortez dans la jungle et trouvez un organisme. Vous décrivez sa taille, son poids, puis vous passez à un autre organisme”, explique-t-il. “Vous voyez tous ces différents types d’objets et vous devez reconstituer comment ils sont tous connectés”. En 2020, El-Badry a décidé de retourner dans la jungle à la recherche de l’étoile qui avait longtemps échappé aux scientifiques : la naine blanche pré-ELM (également appelée variable cataclysmique évoluée).

À l’aide de nouvelles données de Gaia, l’observatoire spatial lancé par l’Agence spatiale européenne, et de l’installation transitoire Zwicky à Caltech, El-Badry a réduit d’un milliard d’étoiles à 50 candidats potentiels. L’astronome souligne l’importance des données publiques issues des relevés astronomiques pour son travail. “S’il n’y avait pas eu des projets comme le Zwicky Transient Facility et Gaia, qui représentent une énorme quantité de travail dans les coulisses de centaines de personnes, ce travail ne serait tout simplement pas possible”, dit-il.

El-Badry a ensuite suivi avec des observations rapprochées de 21 des étoiles. La stratégie de sélection a fonctionné. “100 % des candidats étaient ces pré-ELM WDs que nous recherchions”, dit-il. “Ils étaient plus gonflés que les ELM. Ils étaient également en forme d’œuf parce que l’attraction gravitationnelle de l’autre étoile déforme leur forme sphérique”, précise-il. “Nous avons trouvé le lien évolutif entre deux classes d’étoiles binaires – les variables cataclysmiques et les naines blanches ELM  – et nous en avons trouvé un nombre décent”, ajoute El-Badry.

Treize des étoiles ont montré des signes qu’elles perdaient toujours de la masse au profit de leur compagnon, tandis que huit des étoiles semblaient ne plus perdre de masse. Chacun d’eux était également plus chaud en température que les variables cataclysmiques précédemment observées.

El-Badry prévoit de continuer à étudier les naines blanches pré-ELM et pourrait suivre les 29 autres étoiles candidates qu’il a précédemment découvertes. Comme les anthropologues d’aujourd’hui qui comblent les lacunes de l’évolution humaine, il est émerveillé par la riche diversité d’étoiles qui peuvent naître de la science simple.

Voir la publication

Kareem El-Badry, Hans-Walter Rix, Eliot Quataert, Thomas Kupfer, Ken J Shen, Birth of the ELMs: a ZTF survey for evolved cataclysmic variables turning into extremely low-mass white dwarfs, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 508, Issue 3, December 2021, Pages 4106–4139, DOI: 10.1093/mnras/stab2583

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