Des astronomes ont identifié 21 étoiles à neutrons distantes en orbite binaire avec des étoiles semblables au Soleil, révélées uniquement par leurs effets gravitationnels. Ces découvertes, facilitées par la mission Gaia, suggèrent des complexités dans les théories de formation des étoiles binaires, compte tenu de leur survie inattendue aux événements de supernova. Crédit : Issues.fr.com
De nouvelles observations révèlent des étoiles à neutrons jumelées à des étoiles comme notre Soleil.
La plupart des étoiles de notre univers sont formées par paires. Notre Soleil est solitaire, mais de nombreuses étoiles comme le nôtre gravitent autour d'étoiles similaires, tandis qu'une multitude d'autres paires exotiques entre étoiles et astres cosmiques parsèment l'univers. Les trous noirs, par exemple, sont souvent en orbite l'un autour de l'autre. Une paire qui s'est avérée assez rare est celle entre une étoile semblable au Soleil et un type d'étoile morte appelée trou noir. étoile à neutrons.
Des astronomes dirigés par Kareem El-Badry de Caltech ont découvert ce qui semble être 21 étoiles à neutrons en orbite dans des systèmes binaires avec des étoiles comme notre Soleil. Les étoiles à neutrons sont des noyaux denses et brûlés d'étoiles massives qui ont explosé. Prises séparément, elles sont extrêmement faibles et ne peuvent généralement pas être détectées directement. Elles sont plus lourdes que les étoiles semblables au Soleil, mais les deux objets gravitent mutuellement autour d'un centre de masse commun. Lorsque les étoiles à neutrons gravitent autour d'elles, elles tirent sur les étoiles semblables au Soleil, ce qui provoque des déplacements de leurs compagnons dans le ciel. Grâce à la mission Gaia de l'Agence spatiale européenne, les astronomes ont pu détecter ces oscillations révélatrices pour révéler une nouvelle population d'étoiles à neutrons sombres.
Le rôle de Gaia dans la recherche en astrophysique
« Gaia scrute en permanence le ciel et mesure les oscillations de plus d’un milliard d’étoiles. Les chances sont donc bonnes de trouver même des objets très rares », explique El-Badry, professeur adjoint d’astronomie au Caltech et scientifique adjoint à l’Institut Max Planck d’astronomie en Allemagne.
La nouvelle étude, qui comprend une équipe de co-auteurs du monde entier, a été publiée le 15 juillet dans Le journal ouvert pour l'astrophysiqueLes données de plusieurs télescopes terrestres, dont l'observatoire WM Keck à Maunakea, à Hawaï, l'observatoire de La Silla au Chili et l'observatoire Whipple en Arizona, ont été utilisées pour suivre les observations de Gaia et en apprendre davantage sur les masses et les orbites des étoiles à neutrons cachées.
Cette illustration représente un système d'étoiles binaires composé d'une étoile à neutrons dense et d'une étoile normale semblable au Soleil (en haut à gauche). À l'aide des données de la mission Gaia de l'Agence spatiale européenne, les astronomes ont découvert plusieurs systèmes comme celui-ci, dans lesquels les deux corps sont largement séparés. Comme les corps de ces systèmes sont très éloignés, avec des séparations en moyenne 300 fois plus grandes que celles d'une étoile semblable au Soleil, l'étoile à neutrons est en sommeil : elle ne vole pas activement de masse à son compagnon et est donc très faible. Pour trouver ces étoiles à neutrons cachées, les scientifiques ont utilisé les observations de Gaia pour rechercher une oscillation dans les étoiles semblables au Soleil causée par une action de traction des étoiles à neutrons en orbite. Ce sont les premières étoiles à neutrons découvertes uniquement en raison de leurs effets gravitationnels. Comme le montre cette illustration, la gravité intense de l'étoile à neutrons compacte, qui est environ 100 000 fois plus petite que l'étoile semblable au Soleil mais plus lourde, déforme notre vision du ciel qui l'entoure, produisant une vue miroir déformée de l'étoile proche. Crédit : Caltech/R. Hurt (IPAC)
Caractéristiques distinctives des nouveaux systèmes d'étoiles à neutrons
Bien que des étoiles à neutrons aient déjà été détectées en orbite autour d’étoiles comme notre Soleil, ces systèmes étaient tous plus compacts. La distance séparant les deux corps étant faible, une étoile à neutrons (qui est plus lourde qu’une étoile semblable au Soleil) peut voler de la masse à son partenaire. Ce processus de transfert de masse fait briller l’étoile à neutrons dans les longueurs d’onde des rayons X ou radio. En revanche, les étoiles à neutrons de la nouvelle étude sont beaucoup plus éloignées de leurs partenaires, de l’ordre d’une à trois fois la distance entre la Terre et le Soleil.
Cela signifie que les corps stellaires nouvellement découverts sont trop éloignés de leurs partenaires pour leur voler de la matière. Ils sont au contraire calmes et sombres. « Ce sont les premières étoiles à neutrons découvertes uniquement grâce à leurs effets gravitationnels », explique El-Badry.
Le mystère de la formation des systèmes binaires
Cette découverte est quelque peu surprenante, car on ne sait pas exactement comment une étoile explosée se retrouve à côté d’une étoile comme notre Soleil.
« Nous ne disposons pas encore d’un modèle complet de la formation de ces binaires », explique El-Badry. « En principe, l’étoile progénitrice de l’étoile à neutrons aurait dû devenir énorme et interagir avec l’étoile de type solaire au cours de son évolution tardive. » L’étoile géante aurait alors bousculé la petite étoile, l’engloutissant probablement temporairement. Plus tard, l’étoile progénitrice de l’étoile à neutrons aurait explosé en supernova, ce qui, selon les modèles, aurait dû désolidariser les systèmes binaires, envoyant les étoiles à neutrons et les étoiles de type solaire dans des directions opposées.
« La découverte de ces nouveaux systèmes montre qu’au moins certains binaires survivent à ces processus cataclysmiques, même si les modèles ne peuvent pas encore expliquer complètement comment », dit-il.
Des astronomes ont découvert 21 étoiles semblables à notre Soleil en orbite autour d'étoiles à neutrons, des restes lourds et compacts d'étoiles massives ayant explosé auparavant. Les étoiles à neutrons cachées ont été découvertes uniquement grâce à leurs effets gravitationnels. Bien que les étoiles à neutrons soient plus lourdes que les étoiles semblables au Soleil, les deux objets gravitent mutuellement autour d'un centre de masse commun. Lorsque les étoiles à neutrons gravitent autour, elles tirent sur les étoiles semblables au Soleil, ce qui les fait osciller. La mission Gaia de l'Agence spatiale européenne a détecté cette oscillation en observant les orbites des étoiles semblables au Soleil (points jaunes) sur une période de trois ans. Les étoiles semblables au Soleil sont vertes dans cette animation, et les étoiles à neutrons (et leurs orbites) sont violettes. Crédit : Caltech/Kareem El-Badry
Capacités de détection et recherches futures de Gaia
Gaia a pu détecter ces compagnons improbables grâce à leurs orbites larges et à leurs longues périodes (les étoiles semblables au Soleil gravitent autour des étoiles à neutrons avec des périodes de six mois à trois ans). « Si les corps sont trop proches, l’oscillation sera trop faible pour être détectée », explique El-Badry. « Avec Gaia, nous sommes plus sensibles aux orbites plus larges. » Gaia est également plus sensible aux binaires relativement proches. La plupart des systèmes récemment découverts se situent à moins de 3 000 années-lumière de la Terre, une distance relativement faible comparée, par exemple, aux 100 000 années-lumière de la Terre. année-lumière-diamètre de la voie Lactée Galaxie.
Les nouvelles observations suggèrent également à quel point ces paires sont rares. « Nous estimons qu’environ une étoile de type solaire sur un million tourne autour d’une étoile à neutrons sur une orbite large », a-t-il déclaré.
Élargir la recherche au-delà des étoiles à neutrons
El-Badry s'intéresse également à la recherche de trous noirs dormants invisibles en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil. En utilisant les données de Gaia, il a découvert deux de ces trous noirs silencieux cachés dans notre galaxie. L'un d'eux, appelé Gaia BH1, est le trou noir le plus proche de la Terre, situé à 1 600 années-lumière.
« Nous ne savons pas avec certitude comment ces trou noir « Les étoiles binaires ne se sont pas formées non plus », explique El-Badry. « Il y a clairement des lacunes dans nos modèles d’évolution des étoiles binaires. Trouver davantage de ces compagnons sombres et comparer leurs statistiques de population aux prédictions de différents modèles nous aidera à comprendre comment elles se forment. »
L'étude a été financée par la National Science Foundation, le Conseil européen de la recherche et la Gordon and Betty Moore Foundation. Parmi les autres auteurs de Caltech figurent l'étudiante diplômée Natsuko Yamaguchi et le professeur d'astronomie Andrew Howard. Parmi les autres auteurs figurent Hans-Walter Rix et René Andrae de l'Institut Max-Planck d'astronomie, David Latham et Allyson Bieryla du Centre d'astrophysique/Harvard & Smithsonian, Sahar Shahaf de l'Institut Weizmann des sciences, Tsevi Mazeh de l'Université de Tel Aviv ; Lars Buchhave de l'Université technique du Danemark, Howard Isaacson de l'UC Berkeley et de l'Université du Queensland du Sud ; Alessandro Savino de l'UC Berkeley et Ilya Ilyin de l'Institut Leibniz d'astrophysique de Potsdam.
