Vue d’artiste d’un pulsar nain blanc. Dans ce système d’étoiles binaires, une naine blanche en rotation rapide (à droite) accélère les électrons jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces particules de haute énergie produisent des explosions de rayonnement qui frappent l’étoile naine rouge qui l’accompagne (à gauche), provoquant la pulsation de l’ensemble du système depuis la radio jusqu’à la gamme des rayons X. Crédit : M. Garlick/Université de Warwick/ESO
Les astronomes ont découvert un rare nain blanc pulsar, faisant progresser notre compréhension de l’évolution stellaire et des champs magnétiques chez les naines blanches. Cette découverte soutient le modèle dynamo et suggère l’existence d’autres pulsars de ce type dans l’univers.
La découverte d’un type rare de système stellaire dans deux études indépendantes menées par l’Université de Warwick et l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam (AIP) fournit de nouvelles informations sur les prédictions du modèle dynamo pour l’évolution stellaire. Le nouveau pulsar nain blanc, un système binaire extrêmement proche d’une étoile naine blanche et d’une étoile naine rouge qui, ensemble, s’inséreraient à l’intérieur du Soleil, n’est que le deuxième connu de ce type.
Comprendre les naines blanches et les pulsars
Les naines blanches sont des restes stellaires extrêmement denses ayant la masse de notre Soleil mais la petite taille de notre planète Terre. Ils se forment lorsqu’une étoile de faible masse a brûlé tout son carburant, perd ses couches externes et son intérieur se contracte fortement. Ils sont également appelés « fossiles stellaires » et offrent un aperçu de divers aspects de l’évolution stellaire.
Les pulsars, quant à eux, sont connus depuis les années 1960 et plus de 3 000 ont été découverts. Ce sont des étoiles à neutrons fortement magnétiques à rotation rapide dans lesquelles les particules chargées sont arrachées de la surface par des champs électriques ultra-puissants, puis accélérées jusqu’à presque la vitesse de la lumière. En conséquence, ils émettent des rayonnements, c’est-à-dire de la lumière, dans la gamme des rayons X ou même gamma. En raison de la rotation rapide des étoiles, de courtes impulsions de rayonnement arrivent sur la Terre, d’où leur nom – pulsar.
Une découverte surprenante : les pulsars nains blancs
À la grande surprise de la communauté scientifique, le phénomène pulsar a été observé pour la première fois sur une naine blanche en 2016. La surprise résidait dans le fait que dans cette étoile, AR Scorpii, ni la rotation extrêmement rapide ni les forts champs électriques de de vrais pulsars étaient présents.
L’étoile naine blanche, cependant, a été trouvée dans un système binaire très proche et a été alimentée en particules par sa voisine immédiate, une étoile naine rouge semblable au Soleil, par injection dans son champ magnétique. Cela déclenche le phénomène du pulsar de l’extérieur et irradie l’étoile compagnon rouge comme avec un stroboscope, ce qui rend l’ensemble du système considérablement plus brillant et plus faible à intervalles réguliers. Les deux étoiles, la naine blanche et la naine rouge, sont si proches l’une de l’autre qu’elles pourraient tenir à l’intérieur de notre Soleil.
Explorer les champs magnétiques et le modèle dynamo
Le facteur décisif est la présence d’un champ magnétique puissant, dont les astrophysiciens ne connaissent cependant pas la cause. Une théorie clé qui explique les champs magnétiques puissants est le « modèle dynamo », qui dit que les naines blanches ont des dynamos, des générateurs électriques, dans leur noyau, tout comme la Terre, mais en beaucoup plus puissantes. Mais pour tester cette théorie, les chercheurs ont dû rechercher d’autres pulsars nains blancs pour voir si leurs prédictions étaient correctes.
Dans deux nouvelles études publiées en parallèle dans Astronomie naturelle et Astronomie et astrophysique, une équipe internationale avec la participation de l’AIP décrit le pulsar nain blanc J1912-4410 (eRASSU J191213.9-441044) récemment découvert. Elle se trouve à 773 années-lumière de la Terre et tourne une fois sur elle-même en cinq minutes, soit 300 fois plus vite que notre planète. Le pulsar nain blanc a une taille similaire à celle de la Terre, mais une masse au moins aussi grande que celle du Soleil. Cela signifie qu’une cuillère à café de naine blanche pèserait environ 15 tonnes. Les naines blanches commencent leur vie à des températures extrêmement élevées avant de se refroidir pendant des milliards d’années. La basse température de J1912-4410 indique qu’il est très ancien.
Confirmation du modèle Dynamo
L’étude confirme qu’il existe davantage de pulsars nains blancs, comme le prédisaient les modèles précédents. D’autres prédictions du modèle dynamo ont été confirmées par la découverte de J1912-4410. En raison de leur grand âge, les naines blanches du système pulsar devraient être froides. Leurs compagnons devraient être suffisamment proches pour que l’attraction gravitationnelle de la naine blanche dans le passé soit suffisamment forte pour extraire de la masse du compagnon, les faisant tourner rapidement. Toutes ces hypothèses sont vraies pour le pulsar nouvellement découvert : la naine blanche a une température plus froide que 13 000 Kelvin, a une fréquence de rotation élevée d’environ cinq minutes et l’attraction gravitationnelle de la naine blanche a un fort effet sur son compagnon.
Recherche collaborative et implications futures
Une équipe a utilisé les données de Gaia et WISE pour trouver des candidats, en se concentrant sur ceux ayant des propriétés similaires à AR Scorpii. Après avoir observé quelques dizaines de candidats, ils en ont trouvé un présentant des variations de lumière très similaires. Une observation de suivi avec d’autres télescopes a révélé que ce système envoie un signal radio et des rayons X vers la Terre toutes les cinq minutes environ. Une autre équipe a utilisé les données du télescope à rayons X eROSITA du satellite Spectrum-X-Gamma pour trouver des paires naine blanche/naine rouge proches. Les deux équipes ont uni leurs forces pour approfondir leurs recherches sur leur nouvelle découverte.
« Nous sommes très heureux d’avoir trouvé l’objet lors de l’étude aux rayons X réalisée avec SRG/eROSITA », note le Dr Axel Schwope, chef du groupe d’astronomie aux rayons X à l’AIP et premier auteur de l’étude publiée dans Astronomie et astrophysique. « L’enquête de suivi réalisée avec le satellite XMM-Newton de l’ESA a montré les pulsations dans la région des rayons X de haute énergie, le dernier élément de preuve manquant pour identifier l’objet comme étant un pulsar nain blanc. Cela a confirmé la nature inhabituelle du nouvel objet et a établi les pulsars nains blancs comme une nouvelle classe, bien qu’elle ne compte actuellement que deux membres.
Dr Ingrid Pelisoli du Département de physique du Université de Warwick et premier auteur du Astronomie naturelle étude, ajoute : « L’origine des champs magnétiques est une grande question ouverte dans de nombreux domaines de l’astronomie, et cela est particulièrement vrai pour les étoiles naines blanches. Les champs magnétiques des naines blanches peuvent être plus d’un million de fois plus puissants que le champ magnétique du Soleil, et le modèle dynamo aide à expliquer pourquoi. La découverte de J1912−4410 a constitué une avancée cruciale dans ce domaine.
