Visualisation d’une étoile binaire subissant un transfert de masse. Crédit : © Ylva Götberg
Découvrir les précurseurs manquants des supernovae pauvres en hydrogène.
Les supernovae – des explosions stellaires aussi brillantes qu’une galaxie entière – nous fascinent depuis des temps immémoriaux. Pourtant, il existe plus de supernovas pauvres en hydrogène que les astrophysiciens ne peuvent l’expliquer. Aujourd’hui, un nouveau professeur adjoint à l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA) a joué un rôle central dans l’identification de la population d’étoiles précurseurs manquante. Les résultats, maintenant publiés dans Sciencerevenons à une conversation que les professeurs impliqués ont eue il y a de nombreuses années en tant que jeunes scientifiques.
L’énigme des supernovae pauvres en hydrogène
Certaines étoiles ne s’éteignent pas simplement, mais explosent dans une explosion stellaire qui pourrait éclipser des galaxies entières. Ces phénomènes cosmiques, appelés supernovae, propagent la lumière, les éléments, l’énergie et les radiations dans l’espace et envoient des ondes de choc galactiques qui pourraient comprimer les nuages de gaz et générer de nouvelles étoiles. En d’autres termes, les supernovae façonnent notre univers. Parmi celles-ci, les supernovae pauvres en hydrogène provenant de l’explosion d’étoiles massives ont longtemps intrigué les astrophysiciens. La raison : les scientifiques n’ont pas réussi à mettre le doigt sur leurs étoiles précurseurs. C’est presque comme si ces supernovae étaient apparues de nulle part.
« Il existe beaucoup plus de supernovas pauvres en hydrogène que nos modèles actuels ne peuvent l’expliquer. Soit nous ne pouvons pas détecter les étoiles qui mûrissent sur cette voie, soit nous devons réviser tous nos modèles », explique Ylva Götberg, professeur adjoint de l’ISTA. Elle a été pionnière dans ce travail avec Maria Drout, membre associé du corps professoral du Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, Université de Toronto, Canada.
« Les étoiles uniques exploseraient généralement sous forme de supernovae riches en hydrogène. Être pauvre en hydrogène indique que l’étoile précurseur a dû perdre son épaisse enveloppe riche en hydrogène. Cela se produit naturellement dans un tiers de toutes les étoiles massives, grâce à la suppression de l’enveloppe par une étoile compagnon binaire », explique Götberg.
Désormais, Götberg et Drout ont combiné leurs domaines d’expertise en modélisation théorique et en observation pour traquer les étoiles manquantes. Leur quête est couronnée de succès : ils documentent une population d’étoiles unique en son genre qui comble enfin un important manque de connaissances et met en lumière l’origine des supernovae pauvres en hydrogène.
Étoiles binaires et suppression des enveloppes
Les étoiles recherchées par Götberg et Drout vont par paires : imbriquées dans un système stellaire binaire. Certains systèmes binaires sont bien connus de nous, Terriens : il s’agit notamment de l’étoile la plus brillante de notre ciel nocturne, Sirius A, et de sa faible étoile compagne Sirius B. Le système binaire Sirius est situé à seulement 8,6 années-lumière de la Terre, à un jet de pierre. en termes cosmiques. Cela explique la luminosité observée par Sirius A dans notre ciel nocturne.
Les astrophysiciens s’attendent à ce que les étoiles manquantes soient initialement formées à partir de systèmes binaires massifs. Dans un système binaire, les étoiles tourneraient les unes autour des autres jusqu’à ce que l’enveloppe épaisse et riche en hydrogène de l’étoile la plus massive se dilate. Finalement, l’enveloppe en expansion subit une attraction gravitationnelle plus forte vers l’étoile compagnon que vers son propre noyau.
Cela provoque le début d’un transfert de masse, qui finit par détruire toute l’enveloppe riche en hydrogène, laissant le noyau d’hélium chaud et compact exposé, plus de 10 fois plus chaud que la surface du Soleil. C’est précisément le type d’étoiles recherchées par Götberg et Drout.
Vue d’artiste en trois panneaux d’une étoile dépouillée par un compagnon binaire. Le troisième panneau représente l’étape où ces étoiles sont observées dans le présent travail. Images fixes d’un film. Crédit : © ESO/L. Calçada/M. Kornmesser/SE de Mink
« Les étoiles à hélium de masse intermédiaire dépouillées par interaction binaire devraient jouer un rôle important en astrophysique. Pourtant, ils n’ont pas été observés jusqu’à présent», explique Götberg.
En fait, il existe un écart de masse important entre les classes connues d’étoiles à hélium : les étoiles Wolf-Rayet (WR) les plus massives ont plus de 10 fois la masse du Soleil, et les étoiles subnaines de faible masse pourraient avoir environ la moitié de la masse du Soleil. . Cependant, les modèles prédisent que les précurseurs des supernovae pauvres en hydrogène se situeront entre 2 et 8 masses solaires après le décapage.
Pas seulement une aiguille dans une botte de foin
Avant l’étude de Götberg et Drout, une seule étoile remplissait les critères de masse et de composition attendus et était appelée « Quasi-WR » (ou « Presque Wolf-Rayet »).
« Pourtant, les étoiles qui suivent ce chemin ont une durée de vie si longue que nombre d’entre elles doivent être dispersées dans tout l’univers observable », explique Götberg.
Les scientifiques ne les ont-ils tout simplement pas « vus » ? Götberg et Drout ont ainsi mis à profit leurs expertises complémentaires. À l’aide de la photométrie UV et de la spectroscopie optique, ils ont identifié une population de 25 étoiles conforme aux attentes pour les étoiles à hélium de masse intermédiaire. Les étoiles sont situées dans deux galaxies voisines bien étudiées, le Grand et le Petit Nuage de Magellan.
« Nous avons montré que ces étoiles étaient plus bleues que la lignée de naissance stellaire, la phase la plus bleue de la vie d’une étoile. Les étoiles uniques mûrissent en évoluant vers la région la plus rouge du spectre. Une étoile ne se déplace dans la direction opposée que si ses couches externes sont supprimées, ce qui devrait être courant dans les étoiles binaires en interaction et rare parmi les étoiles massives uniques », explique Götberg.
Les auteurs de l’étude Bethany Ludwig, Anna O’Grady, Maria Drout et Ylva Götberg observent sur les télescopes Magellan de l’observatoire de Las Campanas au Chili, où ils ont collecté des données pour cette recherche. Crédit : Y. Götberg
Les scientifiques ont ensuite vérifié leur population d’étoiles candidates à l’aide de la spectroscopie optique : ils ont montré que les étoiles possédaient de fortes signatures spectrales d’hélium ionisé.
« Les fortes raies d’hélium ionisées nous disent deux choses importantes : premièrement, elles confirment que les couches les plus externes des étoiles sont dominées par l’hélium et, deuxièmement, que leur surface est très chaude. C’est ce qui arrive aux étoiles qui restent sous la forme d’un noyau exposé, compact et riche en hélium après le décapage », explique Götberg.
Pourtant, les deux étoiles d’un système binaire contribuent aux spectres observés. Ainsi, cette technique a permis aux chercheurs de classer leur population candidate en fonction de l’étoile qui contribuait le plus au spectre.
« Ce travail nous a permis de trouver la population manquante d’étoiles à hélium de masse intermédiaire, dépourvues d’hélium, les progéniteurs prédits des supernovae pauvres en hydrogène. Ces stars ont toujours été là et il y en a probablement bien d’autres. Nous devons simplement trouver des moyens de les trouver», déclare Götberg. « Notre travail n’est peut-être qu’une des premières tentatives, mais il devrait y avoir d’autres voies possibles. »
Des étudiants diplômés aux leaders en astrophysique
L’idée derrière ce projet est née lors d’une discussion suite à une conférence de Götberg lors d’une conférence à laquelle elle et Drout ont assisté pendant leurs études supérieures. Les deux scientifiques, puis chercheurs en début de carrière en quête d’étoiles, sont désormais chefs de file dans leur domaine.
Götberg a rejoint l’ISTA en septembre suite à ses recherches aux observatoires Carnegie de Pasadena, en Californie, en tant que NASA Boursier postdoctoral Hubble. À l’ISTA, Götberg rejoint les rangs croissants de jeunes chefs de groupe en astrophysique de l’Institut et dirige son propre groupe axé sur l’étude des interactions binaires des étoiles.
Ce travail, dirigé par Maria R. Drout (Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, Université de Toronto, Canada) et Ylva Götberg (Institut des sciences et technologies d’Autriche, ISTA), a été réalisé en collaboration avec les Observatoires du Institution Carnegie pour la science (Pasadena, États-Unis) et l’Institut Max Planck d’astrophysique (Garching, Allemagne), entre autres.
