Comment les systèmes binaires en étoile se forment-ils? Les astronomes résolvent enfin le mystère

Une explosion spectaculaire de supernova, plus d'un milliard de fois plus lumineuse que notre soleil, a marqué la naissance d'une étoile à neutrons en orbite autour de son compagnon chaud et dense. Maintenant, ces deux restes denses sont voués à s’enrouler en environ un milliard d’années, pour finalement fusionner et donner certains des éléments les plus lourds connus de l’univers.

L'explosion s'est produite dans une galaxie similaire à notre Voie Lactée, à près de 920 millions d'années-lumière. Un petit télescope situé à l'observatoire de Palomar en Californie a détecté les premiers photons de la supernova - nommés «iPTF 14gqr», quelques heures seulement après l'explosion, alors qu'il faisait plus de 10 fois la température de notre soleil. Alors que la luminosité de la supernova évoluait au cours des deux prochaines semaines, une équipe internationale d’astronomes a utilisé les données pour retracer l’origine de l’explosion jusqu’à une étoile massive de rayon 500 fois supérieur à celui du soleil.

Mais ce n’est pas seulement la taille géante de l’étoile qui a rendu cette découverte particulièrement remarquable. Ce qui était inhabituel, c'est que l'étoile semblait aussi être la plus légère de toutes les étoiles géantes explosives connues. Cette étoile massive avait été dépouillée de presque toute sa masse, peut-être par un partenaire en orbite dense. Quand il a explosé, il a laissé derrière lui une étoile à neutrons nouveau-né qui a continué à tourner autour de son compagnon.

Comprendre la formation de systèmes d'étoiles binaires dans lesquels deux étoiles super-denses tournent autour de l'autre a toujours été un casse-tête. Ces supernovae éphémères qui génèrent ces systèmes stellaires binaires denses sont à la fois rares et difficiles à trouver, car elles apparaissent et disparaissent rapidement dans le ciel - environ cinq fois plus vite qu'une supernova typique.

Cette première observation d’une supernova «ultra-dépouillée», que mes collègues et moi-même détaillons dans une nouvelle étude, permet non seulement de mieux comprendre la formation de ces systèmes, mais également de révéler les dernières étapes de la vie de ces étoiles massives uniques en leur genre. pillé de toute leur masse avant de mourir.

Résoudre un mystère de longue date

Les étoiles nées avec plus de huit fois la masse du soleil tombent rapidement en panne de carburant et succombent à la pesanteur à la fin de leur vie. Elles s'effondrent sur elles-mêmes et explosent dans une supernova. Lorsque cela se produit, toutes les couches extérieures de l’étoile - quelques fois la masse du soleil - sont dispersées.

Lorsque j'ai commencé à travailler avec mon conseiller, Mansi Kasliwal, en tant que nouvel étudiant diplômé, j'ai décidé d'étudier les supernovae dont la luminosité s'estompait rapidement. En explorant la base de données des événements découverts par l'iPTF, je suis tombé sur l'iPTF 14gqr, une supernova à la décoloration rapide découverte plus d'un an auparavant, mais dont la véritable nature physique demeurait mystérieuse.

Les données étaient déconcertantes parce que nos modèles préliminaires suggéraient que cette supernova était causée par la mort d'une immense étoile gigantesque, mais que l'explosion en elle-même était plutôt faible. Il n’éjecte que le cinquième de la masse du soleil, alors que son énergie n’est que le dixième d’une supernova typique. Où étaient toutes les matières et l'énergie manquantes?

Les indices indiquaient que l’étoile en explosion avait dû être débarrassée de presque toute sa masse initiale avant l’explosion. Mais qu'est-ce qui aurait pu voler tant de matière à cette étoile géante? Peut-être un compagnon binaire invisible?

J'ai commencé à lire sur des scénarios rares d'étoiles binaires, lorsque je suis tombé sur l'idée de «supernovae ultra-dépouillée».

Supernovae Ultra Stripped

Lorsqu'une étoile massive a une étoile binaire dense et proche, son attraction gravitationnelle intense peut priver son voisin sans méfiance de presque toute sa masse avant qu'elle n'explose - d'où le terme «ultra-dépouillé».

La supernova ultra-dépouillée laisse derrière elle une étoile à neutrons, un cadavre stellaire dense et en rotation rapide contenant un peu plus que la masse du soleil entassée dans une région de la taille du centre-ville de Los Angeles. Cette étoile à neutrons est piégée dans une orbite étroite autour de son compagnon. Le compagnon est peut-être une autre étoile à neutrons, voire un nain blanc ou un trou noir formé d'une étoile massive décédée plusieurs millions d'années avant son compagnon.

Ces systèmes binaires constituent un domaine d’investigation astrophysique important depuis plusieurs décennies. Nous avons directement observé de nombreux systèmes de ce type dans notre propre galaxie avec des télescopes optiques et des radiotélescopes. La première détection indirecte d'ondes gravitationnelles a été réalisée à partir d'observations d'un système à double étoile à neutrons. Plus récemment, la première fusion d'un système à double étoile à neutrons a été détectée à la fois par des systèmes LIGO avancés et par des ondes électromagnétiques en 2017, offrant aux astronomes un aperçu unique du fonctionnement de la gravité et de l'origine des éléments lourds dans l'univers.

Pourtant, la formation d'étoiles binaires est restée longtemps un mystère. Nous savons que les étoiles à neutrons se forment dans des explosions de supernova. Mais pour obtenir des étoiles à neutrons binaires, vous avez besoin d’un binaire de deux étoiles massives. Cependant, un équilibre des forces précis est nécessaire pour que les étoiles à neutrons binaires restent suffisamment stables pour survivre aux deux explosions violentes qui ont créé le système.

Plusieurs sources de preuves indirectes suggèrent qu'elles sont formées dans une très rare classe d'explosions faibles de supernova ultra-dépouillées. Mais ces faibles explosions avaient jusqu'ici échappé à la détection directe. Cette première preuve d'observation d'une supernova ultra-dépouillée ouvre une opportunité de comprendre la formation de systèmes binaires à étoiles à neutrons étroits.

Scanning the Heavens à la recherche d'explosions de bébés

Notre supernova a été repérée lors de l’enquête intermédiaire Palomar Transient Factory (iPTF). L'enquête automatisée iPTF a utilisé une grande caméra montée sur un télescope de 1 mètre pour prendre des photos du ciel toutes les nuits et rechercher de «nouvelles étoiles». Une des priorités de recherche consistait à rechercher des supernovae infantile et à en déterminer l'origine.

Chaque fois qu'une nouvelle étoile est trouvée, le robot de levé alerte immédiatement les astronomes de service situés dans un fuseau horaire complètement différent. Cette stratégie, associée à un réseau mondial de télescopes, nous a permis d’attraper plusieurs étoiles en pleine explosion et de comprendre à quoi elles ressemblaient juste avant leur explosion. En fait, retrouver une rare supernova ultra-dépouillée quelques instants après l'explosion était une coïncidence chanceuse!

Cet événement unique nous a fourni un premier aperçu de la masse et de l'énergie libérées lors de telles explosions, du cycle de vie des étoiles massives et de la formation d'étoiles binaires. Pourtant, il y a beaucoup à apprendre d'un échantillon plus large de ces événements.

Avec le Zwicky Transient Facilty - le successeur de l'iPTF capable d'analyser le ciel dix fois plus vite - et un réseau mondial de télescopes appelé GROWTH, nous espérons assister à davantage d'explosions ultra-dépouillées, marquant le début d'un nouvel épisode de compréhension de ces systèmes stellaires uniques..

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation de Kishalay De. Lisez l'article original ici.