Les astronomes découvrent un rare binaire « veuve noire », avec l’orbite la plus courte à ce jour

Le clignotement d’une étoile proche a attiré les astronomes du MIT vers un nouveau système mystérieux à 3 000 années-lumière de la Terre. L’étrangeté stellaire semble être un nouveau « binaire de veuve noire » – une étoile à neutrons à rotation rapide, ou pulsar, qui tourne en rond et consomme lentement une étoile compagne plus petite, comme son homonyme arachnide le fait à son compagnon.

Les astronomes connaissent environ deux douzaines de binaires de veuves noires dans la Voie lactée. Ce nouveau candidat, nommé ZTF J1406 + 1222, a la période orbitale la plus courte jamais identifiée, le pulsar et l’étoile compagnon se tournant toutes les 62 minutes. Le système est unique en ce sens qu’il semble héberger une troisième étoile lointaine qui orbite autour des deux étoiles intérieures tous les 10 000 ans.

Cette probable triple veuve noire soulève des questions sur la façon dont un tel système aurait pu se former. Sur la base de ses observations, l’équipe du MIT propose une histoire d’origine : comme pour la plupart des binaires de la veuve noire, le système triple est probablement né d’une constellation dense de vieilles étoiles connue sous le nom d’amas globulaire. Cet amas particulier a peut-être dérivé vers le centre de la Voie lactée, où la gravité du trou noir central était suffisante pour séparer l’amas tout en laissant la triple veuve noire intacte.

« C’est un scénario de naissance compliqué », explique Kevin Burdge, boursier postdoctoral Pappalardo au département de physique du MIT. « Ce système flotte probablement dans la Voie lactée depuis plus longtemps que le soleil n’existe. »

Burge est l’auteur d’une étude parue dans Nature qui détaille la découverte de l’équipe. Les chercheurs ont utilisé une nouvelle approche pour détecter le triple système. Alors que la plupart des binaires de veuve noire se trouvent à travers le rayonnement gamma et X émis par le pulsar central, l’équipe a utilisé la lumière visible, et plus particulièrement le clignotement de l’étoile compagnon du binaire, pour détecter ZTF J1406+1222.

« Ce système est vraiment unique en ce qui concerne les veuves noires, parce que nous l’avons trouvé avec la lumière visible, et à cause de son large compagnon, et du fait qu’il vient du centre galactique », explique Burdge. « Il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas à ce sujet. Mais nous avons une nouvelle façon de rechercher ces systèmes dans le ciel. »

Les co-auteurs de l’étude sont des collaborateurs de plusieurs institutions, dont l’Université de Warwick, Caltech, l’Université de Washington, l’Université McGill et l’Université du Maryland.

Jour et nuit

Les binaires de la veuve noire sont alimentés par des pulsars – des étoiles à neutrons à rotation rapide qui sont les noyaux effondrés d’étoiles massives. Les pulsars ont une période de rotation vertigineuse, tournant toutes les quelques millisecondes et émettant des éclairs de rayons gamma et X à haute énergie dans le processus.

Normalement, les pulsars ralentissent et meurent rapidement car ils brûlent une énorme quantité d’énergie. Mais de temps en temps, une étoile qui passe peut donner une nouvelle vie à un pulsar. À l’approche d’une étoile, la gravité du pulsar arrache de la matière à l’étoile, ce qui fournit une nouvelle énergie pour faire remonter le pulsar. Le pulsar « recyclé » commence alors à réémettre de l’énergie qui dépouille davantage l’étoile et finit par la détruire.

« Ces systèmes sont appelés veuves noires en raison de la façon dont le pulsar consomme en quelque sorte la chose qui l’a recyclé, tout comme l’araignée mange sa compagne », explique Burdge.

Chaque binaire de veuve noire à ce jour a été détecté par des flashs gamma et de rayons X du pulsar. Dans un premier temps, Burdge est tombé sur ZTF J1406 + 1222 à travers le clignotement optique de l’étoile compagnon.

Il s’avère que le côté jour de l’étoile compagne – le côté qui fait perpétuellement face au pulsar – peut être plusieurs fois plus chaud que son côté nuit, en raison du rayonnement constant à haute énergie qu’il reçoit du pulsar.

« J’ai pensé qu’au lieu de chercher directement le pulsar, essayez de chercher l’étoile qu’il cuisine », explique Burdge.

Il a estimé que si les astronomes observaient une étoile dont la luminosité changeait périodiquement de manière énorme, ce serait un signal fort qu’elle était en binaire avec un pulsar.

Mouvement d’étoile

Pour tester cette théorie, Burdge et ses collègues ont examiné les données optiques prises par le Zwicky Transient Facility, un observatoire basé en Californie qui prend des images à grand champ du ciel nocturne. L’équipe a étudié la luminosité des étoiles pour voir si certaines changeaient de façon spectaculaire d’un facteur 10 ou plus, sur une échelle de temps d’environ une heure ou moins – des signes qui indiquent la présence d’une étoile compagne en orbite autour d’un pulsar.

L’équipe a pu sélectionner la douzaine de binaires de veuve noire connus, validant ainsi la précision de la nouvelle méthode. Ils ont ensuite repéré une étoile dont la luminosité changeait d’un facteur 13, toutes les 62 minutes, indiquant qu’elle faisait probablement partie d’un nouveau binaire de veuve noire, qu’ils ont étiqueté ZTF J1406+1222.

Ils ont recherché l’étoile dans les observations prises par Gaia, un télescope spatial exploité par l’Agence spatiale européenne qui conserve des mesures précises de la position et du mouvement des étoiles dans le ciel. En regardant en arrière à travers des décennies de mesures de l’étoile du Sloan Digital Sky Survey, l’équipe a découvert que le binaire était suivi par une autre étoile lointaine. À en juger par leurs calculs, cette troisième étoile semblait orbiter autour du binaire interne tous les 10 000 ans.

Curieusement, les astronomes n’ont pas détecté directement les émissions gamma ou de rayons X du pulsar dans le binaire, ce qui est la manière typique dont les veuves noires sont confirmées. ZTF J1406 + 1222 est donc considéré comme un candidat binaire veuve noire, ce que l’équipe espère confirmer avec de futures observations.

« La seule chose que nous savons avec certitude, c’est que nous voyons une étoile avec un côté jour beaucoup plus chaud que le côté nuit, en orbite autour de quelque chose toutes les 62 minutes », a déclaré Burdge. « Tout semble indiquer qu’il s’agit d’un binaire de veuve noire. Mais il y a quelques choses étranges à ce sujet, il est donc possible que ce soit quelque chose d’entièrement nouveau. »

L’équipe prévoit de continuer à observer le nouveau système, ainsi qu’à appliquer la technique optique pour éclairer davantage d’étoiles à neutrons et de veuves noires dans le ciel.