Découverte d’une paire d’étoiles « cataclysmiques » dont l’orbite est la plus petite jamais observée : elles tournent l’une autour de l’autre toutes les 51 minutes.

La moitié des étoiles de notre galaxie sont solitaires, comme le Soleil, et l’autre moitié sont des étoiles qui forment des systèmes stellaires orbitant par paires ou par groupes, certaines avec des orbites si étroites qu’elles pourraient tenir entre la Terre et la Lune.

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Aujourd’hui, une équipe dirigée par le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a découvert une binaire stellaire (une paire d’étoiles) dont l’orbite est extrêmement courte : elles tournent l’une autour de l’autre toutes les 51 minutes.

Le système nouvellement découvert, que l’équipe a nommé ZTF J1813+4251, possède l’orbite la plus courte détectée à ce jour.

La découverte, publiée mercredi dans la revue Nature, a été réalisée en collaboration avec l’université de Harvard et le Smithsonian Center for Astrophysics, entre autres institutions.

Le système semble faire partie d’une classe rare de binaires appelées « variables cataclysmiques », dans lesquelles une étoile semblable au Soleil est en orbite autour d’une naine blanche (le noyau chaud et dense laissé par une étoile lorsqu’elle a épuisé son combustible).

Ces variables cataclysmiques apparaissent lorsque, au cours d’un processus qui dure des milliards d’années, les deux étoiles se rapprochent l’une de l’autre, ce qui amène la naine blanche à commencer à accréter (manger) la matière de son étoile compagnon.

Les astronomes ont capturé cette variable cataclysmique au moment où les étoiles s’éclipsaient l’une l’autre, ce qui a permis de mesurer avec précision leurs propriétés.

Grâce à ces mesures, ils ont réalisé des simulations de ce que le système fait probablement aujourd’hui et de la façon dont il devrait évoluer au cours des prochaines centaines de millions d’années.

D’après leurs calculs, les deux étoiles sont en transition et l’étoile semblable au Soleil a tourné autour de la naine blanche vorace et lui a « donné » une grande partie de son atmosphère d’hydrogène.

Au fil du temps, l’étoile semblable au Soleil finira par se réduire à un noyau essentiellement dense et riche en hélium. Et dans 70 millions d’années, les deux se rapprocheront encore plus l’un de l’autre, sur une orbite ultra-courte de 18 minutes, avant de commencer à se dilater et à se séparer.

Bien que des chercheurs du MIT et d’ailleurs aient prédit il y a plusieurs décennies que ces variables cataclysmiques devaient faire la transition vers des orbites ultra-courtes, c’est la première fois que cela a été observé directement.

« Les gens ont prédit que ces objets devraient passer à des orbites ultra-courtes, et on a longtemps débattu de la question de savoir s’ils pouvaient se raccourcir suffisamment pour émettre des ondes gravitationnelles détectables. Cette découverte met fin au débat », explique Kevin Burdge du MIT.

Pour réaliser cette étude, Burdge a utilisé le catalogue des étoiles observées par le Zwicky Transient Facility (ZTF), qui utilise une caméra fixée à un télescope de l’observatoire Palomar, en Californie, pour prendre des images à haute résolution de larges pans du ciel.

Burdge a recherché des étoiles qui semblaient scintiller de manière répétée, avec une période de moins d’une heure, une fréquence qui signale généralement un système d’au moins deux objets en orbite proche, où l’un croise l’autre et bloque brièvement sa lumière.

L’astronome a choisi plus d’un milliard d’étoiles et un algorithme en a sélectionné environ un million qui semblaient clignoter toutes les heures environ.

Parmi eux, Burdge a cherché à l’œil des signaux d’intérêt particulier et s’est concentré sur ZTF J1813+4251, un système situé à environ 3 000 années-lumière de la Terre dans la constellation d’Hercule.

« J’ai vu une éclipse se produisant toutes les 51 minutes, et je me suis dit qu’il s’agissait bien d’un binaire », se souvient M. Burdge.

Les auteurs ont observé le système avec l’observatoire W.M. Keck à Hawaï et le Gran Telescopio Canarias en Espagne et ont constaté que le système leur a permis de mesurer avec précision la masse, le rayon de chaque étoile et sa période orbitale.

Ils ont ainsi découvert que le premier objet était probablement une naine blanche, d’une taille égale au centième de celle du Soleil et d’environ la moitié de sa masse, et le second une étoile semblable au Soleil, proche de la fin de sa vie et de la taille de Jupiter.

Burdge a réalisé que ZTF J1813+4251 était probablement une variable cataclysmique, en train de passer d’un corps riche en hydrogène à un corps riche en hélium, une découverte qui confirme les prédictions précédentes.

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