La plupart des étoiles de notre univers sont formées par paires. Notre Soleil est un astre solitaire, mais de nombreuses étoiles comme le nôtre gravitent autour d’étoiles similaires, tandis qu’une multitude d’autres paires exotiques d’étoiles et d’astres cosmiques parsèment l’univers. Les trous noirs, par exemple, gravitent souvent en orbite l’un autour de l’autre. Une paire qui s’est avérée assez rare est celle qui existe entre une étoile semblable au Soleil et un type d’étoile morte appelée étoile à neutrons.
Des astronomes dirigés par Kareem El-Badry, de Caltech, ont découvert ce qui semble être 21 étoiles à neutrons en orbite autour d’étoiles comme notre Soleil. Les étoiles à neutrons sont des noyaux denses et brûlés d’étoiles massives qui ont explosé. Prises isolément, elles sont extrêmement faibles et ne peuvent généralement pas être détectées directement. Mais lorsqu’une étoile à neutrons orbite autour d’une étoile semblable au Soleil, elle tire sur sa compagne, ce qui provoque un déplacement de l’étoile d’avant en arrière dans le ciel. Grâce à la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne, les astronomes ont pu détecter ces oscillations révélatrices et révéler une nouvelle population d’étoiles à neutrons sombres.
« Gaia scrute en permanence le ciel et mesure les oscillations de plus d’un milliard d’étoiles, donc les chances sont 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 publié 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.
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.
Cette animation montre un système d’étoiles binaires dans lequel une étoile à neutrons compacte et massive tourne autour d’une étoile plus grande, semblable au Soleil. La gravité intense de cette étoile à neutrons de haute densité produit des effets de déformation importants qui déforment la vue du ciel qui l’entoure, un peu comme ce qui se produit autour de trous noirs plus compacts. Crédit : Caltech/R. Hurt (IPAC)
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.
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.
Gaia a pu trouver ces compagnons improbables grâce à leurs orbites larges et à leurs longues périodes (les étoiles semblables au Soleil orbitent autour des étoiles à neutrons avec des périodes de six mois à trois ans).
Dans cette animation, les étoiles semblables au Soleil sont vertes et les étoiles à neutrons (et leurs orbites) sont violettes. Crédit : Caltech/Kareem El-Badry
« 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 diamètre de la Voie lactée.
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 », note-t-il.
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 non plus avec certitude comment ces binaires de trous noirs se sont formés », explique El-Badry. « Il existe 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 ils se forment. »
Plus d’information:
Kareem El-Badry et al, Une population d’étoiles à neutrons candidates sur de larges orbites issues de l’astrométrie Gaia, Journal ouvert d’astrophysique (2024). DOI: 10.33232/001c.121261