Lorsque des étoiles comme notre soleil épuisent tout leur carburant, elles rétrécissent pour former des naines blanches. Parfois, de telles étoiles mortes reprennent vie dans une explosion super chaude et produisent une boule de feu de rayons X. Une équipe de recherche de plusieurs instituts allemands, dont l’Université de Tübingen, et dirigée par la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), a maintenant pu observer une telle explosion de rayons X pour la toute première fois.
« C’était dans une certaine mesure une coïncidence heureuse, vraiment », explique Ole König de l’Institut astronomique de la FAU à l’observatoire du Dr Karl Remeis à Bamberg, qui a publié un article sur cette observation dans la revue Nature, en collaboration avec le professeur Jörn Wilms et une équipe de recherche de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre, de l’Université de Tübingen, de l’Universitat Politécnica de Catalunya à Barcelone et de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam. « Ces flashs de rayons X ne durent que quelques heures et sont presque impossibles à prévoir, mais l’instrument d’observation doit être pointé directement sur l’explosion au bon moment », explique l’astrophysicien.
L’instrument dans ce cas est le télescope à rayons X eROSITA, qui est actuellement situé à un million et demi de kilomètres de la Terre et qui surveille le ciel pour les rayons X mous depuis 2019. Le 7 juillet 2020, il a mesuré des rayons X forts. rayonnement de rayons dans une zone du ciel qui avait été complètement invisible quatre heures plus tôt. Lorsque le télescope à rayons X a sondé la même position dans le ciel quatre heures plus tard, le rayonnement avait disparu. Il s’ensuit que le flash de rayons X qui avait précédemment complètement surexposé le centre du détecteur a dû durer moins de huit heures.
Des explosions de rayons X comme celle-ci ont été prédites par des recherches théoriques il y a plus de 30 ans, mais n’ont jamais été observées directement jusqu’à présent. Ces boules de feu de rayons X se produisent à la surface d’étoiles qui étaient à l’origine de taille comparable au soleil avant d’utiliser la majeure partie de leur carburant composé d’hydrogène, et plus tard d’hélium, au plus profond de leur noyau. Ces cadavres stellaires rétrécissent jusqu’à ce qu’il reste des naines blanches, qui sont de taille similaire à la Terre mais contiennent une masse qui peut être similaire à celle de notre soleil. « Une façon d’imaginer ces proportions est de penser que le soleil a la même taille qu’une pomme, ce qui signifie que la Terre aurait la même taille qu’une tête d’épingle en orbite autour de la pomme à une distance de 10 mètres », explique Jörn Wilms.
« Ces soi-disant novae se produisent tout le temps, mais les détecter pendant les tout premiers instants où la plupart des émissions de rayons X sont produites est vraiment difficile », ajoute le Dr Victor Doroshenko de l’Université de Tübingen. « Non seulement la courte durée d’un flash est un défi, mais aussi le fait que le spectre des rayons X émis est très doux. Les rayons X mous ne sont pas très énergétiques et facilement absorbés par le milieu interstellaire, nous ne pouvons donc pas voir très loin. » dans cette bande, ce qui limite le nombre d’objets observables, qu’il s’agisse d’une nova ou d’une étoile ordinaire. Les télescopes sont normalement conçus pour être plus efficaces dans les rayons X plus durs où l’absorption est moins importante, et c’est exactement la raison pour laquelle ils rateraient un événement comme ça », conclut Victor Doroshenko.
Les cadavres stellaires ressemblent à des pierres précieuses
D’autre part, si vous deviez rétrécir une pomme à la taille d’une tête d’épingle, cette minuscule particule conserverait le poids relativement important de la pomme. « Une cuillère à café de matière provenant de l’intérieur d’une naine blanche a facilement la même masse qu’un gros truc », poursuit Jörn Wilms. Étant donné que ces étoiles brûlées sont principalement composées d’oxygène et de carbone, nous pouvons les comparer à de gigantesques diamants de la même taille que la Terre flottant dans l’espace. Ces objets en forme de pierres précieuses sont si chauds qu’ils brillent en blanc. Cependant, le rayonnement est si faible qu’il est difficile à détecter depuis la Terre.
Cela est vrai à moins que la naine blanche ne soit accompagnée d’une étoile qui brûle encore, et lorsque l’énorme attraction gravitationnelle de la naine blanche attire l’hydrogène de la coquille de l’étoile qui l’accompagne. « Avec le temps, cet hydrogène peut s’accumuler pour former une couche de seulement quelques mètres d’épaisseur à la surface de la naine blanche », explique l’astrophysicien FAU Jörn Wilms. Dans cette couche, l’énorme attraction gravitationnelle génère une pression énorme qui est si grande qu’elle provoque le rallumage de l’étoile. Dans une réaction en chaîne, il en vient bientôt à une énorme explosion au cours de laquelle la couche d’hydrogène est soufflée. Le rayonnement X d’une explosion comme celle-ci est ce qui a frappé les détecteurs d’eROSITA le 7 juillet 2020, produisant une image surexposée.
« L’origine physique de l’émission de rayons X à venir [from] Les atmosphères des naines blanches sont relativement bien comprises et nous pouvons modéliser leurs spectres à partir des premiers principes et avec des détails exquis. La comparaison des modèles avec les observations permet [us] puis d’apprendre les propriétés de base de ces objets telles que le poids, la taille ou la composition chimique », explique le Dr Valery Suleimanov de l’Université de Tübingen.
« Le problème dans ce cas particulier était, cependant, qu’après 30 ans sans photons, nous en avions soudainement trop, ce qui déformait la réponse spectrale d’eROSITA, qui était conçue pour détecter des millions d’objets très faibles plutôt qu’un mais très lumineux », a-t-il ajouté. ajoute Victor Dorochenko.
« En utilisant les calculs du modèle que nous avons initialement élaborés tout en soutenant le développement de l’instrument à rayons X, nous avons pu analyser l’image surexposée plus en détail au cours d’un processus complexe pour obtenir une vue des coulisses d’une explosion d’une naine blanche, ou nova », explique Jörn Wilms.
D’après les résultats, la naine blanche a environ la masse de notre soleil et est donc relativement grande. L’explosion a généré une boule de feu d’une température d’environ 327 000 Kelvin, ce qui la rend environ 60 fois plus chaude que le soleil. « Ces paramètres ont été obtenus en combinant des modèles de rayonnement X avec les modèles de rayonnement émis par des naines blanches très chaudes créés à Tübingen par Valery Suleimanov et Victor Doroshenko, et une analyse très approfondie de la réponse des instruments dans un régime très en dehors des spécifications réalisées à FAU et MPE. Je pense que cela illustre très bien l’importance de la collaboration dans la science moderne et le large éventail d’expertises au sein du consortium allemand eROSITA », ajoute le professeur Klaus Werner de l’Université de Tübingen.
Étant donné que ces novae manquent de carburant assez rapidement, elles se refroidissent rapidement et le rayonnement X s’affaiblit jusqu’à ce qu’il devienne finalement de la lumière visible, qui a atteint la Terre une demi-journée après la détection d’eROSITA et a été observée par des télescopes optiques. « Une étoile apparemment brillante est alors apparue, qui était en fait la lumière visible de l’explosion, et si brillante qu’elle pouvait être vue dans le ciel nocturne à l’œil nu », explique Ole König. Apparemment, de « nouvelles étoiles » comme celle-ci ont été observées dans le passé et ont été nommées « nova stella » ou « nouvelle étoile » en raison de leur apparition inattendue. Étant donné que ces novae ne sont visibles qu’après le flash de rayons X, il est très difficile de prévoir de telles épidémies et c’est principalement le hasard lorsqu’elles frappent les détecteurs de rayons X. « Nous avons vraiment eu de la chance », déclare Ole König.
Ole König et al, détection par rayons X d’une nova en phase boule de feu, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04635-y