Des astronomes découvrent la première population d'étoiles binaires rayées

Des astronomes de l'Université de Toronto ont découvert une population d'étoiles massives qui ont été dépouillées de leur enveloppe d'hydrogène par leurs compagnes des systèmes binaires. Les résultats, publiés dans Scienceont mis en lumière les étoiles chaudes d’hélium qui seraient à l’origine des supernovae pauvres en hydrogène et des fusions d’étoiles à neutrons.

Depuis plus d’une décennie, les scientifiques émettent l’hypothèse qu’environ une étoile massive sur trois est privée de son enveloppe d’hydrogène dans les systèmes binaires. Pourtant, jusqu’à présent, un seul candidat possible avait été identifié.

“C'était un trou tellement grand et flagrant”, a déclaré la co-auteure principale Maria Drout, professeure adjointe au département d'astronomie et d'astrophysique David A. Dunlap et associée au Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics de l'Université de Toronto.

“S'il s'avérait que ces étoiles sont rares, alors tout notre cadre théorique pour tous ces différents phénomènes est erroné, avec des implications pour les supernovae, les ondes gravitationnelles et la lumière des galaxies lointaines”, explique Drout. “Cette découverte montre que ces étoiles existent réellement.”

“À l'avenir, nous pourrons réaliser une physique beaucoup plus détaillée avec ces étoiles”, déclare Drout. “Par exemple, les prévisions sur le nombre de fusions d'étoiles à neutrons que nous devrions observer dépendent des propriétés de ces étoiles, telles que la quantité de matière qui s'en détache dans les vents stellaires. Maintenant, pour la première fois, nous serons en mesure de mesurer cela, alors que les gens l'ont extrapolé auparavant.

Les étoiles binaires dénudées ont déjà été évoquées pour expliquer pourquoi un tiers des supernovae à effondrement du noyau contiennent beaucoup moins d'hydrogène qu'une explosion typique d'une étoile supergéante rouge. Drout et ses collègues proposent que ces étoiles nouvellement découvertes finiront par exploser sous forme de supernovae pauvres en hydrogène. On pense également que ces systèmes stellaires sont nécessaires à la formation de fusions d’étoiles à neutrons, comme celles qui émettent des ondes gravitationnelles détectées depuis la Terre par l’expérience LIGO.

En fait, les chercheurs pensent que quelques objets de leur échantillon actuel sont des étoiles dénudées avec des compagnons étoiles à neutrons ou trous noirs. Ces objets sont au stade juste avant qu’ils ne deviennent des systèmes d’étoiles à neutrons doubles ou d’étoiles à neutrons plus trous noirs qui pourraient éventuellement fusionner.

“De nombreuses étoiles font partie d'une danse cosmique avec un partenaire, en orbite autour de l'autre dans un système binaire. Ce ne sont pas des géants solitaires mais font partie de duos dynamiques, interagissant et s'influençant tout au long de leur vie”, explique Bethany Ludwig, titulaire d'un doctorat. D. étudiant au département d'astronomie et d'astrophysique David A. Dunlap de l'Université de Toronto et troisième auteur de cet article. “Notre travail met en lumière ces relations fascinantes, révélant un univers bien plus interconnecté et actif que nous ne l'imaginions auparavant.”

“Tout comme les humains sont des êtres sociaux, les étoiles aussi, surtout les plus massives, sont rarement seules”, explique Ludwig.

À mesure que les étoiles évoluent et se dilatent pour devenir des géantes rouges, l’hydrogène situé à leurs bords extérieurs peut être dépouillé par l’attraction gravitationnelle de son compagnon, laissant ainsi exposé un noyau d’hélium très chaud. Le processus peut prendre des dizaines de milliers, voire des centaines de milliers d’années.

Les étoiles rayées sont difficiles à trouver car une grande partie de la lumière qu’elles émettent se situe en dehors du spectre de la lumière visible et peut être obstruée par la poussière de l’univers ou éclipsée par leurs étoiles compagnes.

Drout et ses collaborateurs ont commencé leurs recherches en 2016. Après avoir étudié les supernovas pauvres en hydrogène au cours de son doctorat, Drout s'est mise à la recherche des étoiles dénudées que l'on pensait être au cœur de celles-ci, dans le cadre d'une bourse postdoctorale Hubble de la NASA aux Observatoires du Institution Carnegie pour les sciences. Elle a rencontré lors d'une conférence Ylva Götberg, co-auteure et aujourd'hui professeure adjointe à l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (ISTA), qui avait récemment construit de nouveaux modèles théoriques sur ce à quoi devraient ressembler ces étoiles.

Drout, Götberg et leurs collaborateurs ont conçu une nouvelle étude pour examiner la partie ultraviolette du spectre, là où les étoiles extrêmement chaudes émettent la majeure partie de leur lumière. Bien qu’invisible à l’œil nu, la lumière ultraviolette peut être détectée par des instruments et télescopes spécialisés.

À l’aide des données du télescope optique/ultra-violet Swift, les chercheurs ont collecté la luminosité de millions d’étoiles dans les grands et petits nuages ​​de Magellan, deux des galaxies les plus proches de la Terre. Ludwig a développé le premier catalogue UV à grand champ des nuages ​​de Magellan et a utilisé la photométrie UV pour détecter les systèmes présentant des émissions UV inhabituelles, signalant la présence possible d'une étoile dénudée.

Ils ont réalisé une étude pilote de 25 objets, obtenant une spectroscopie optique avec les télescopes Magellan de l'Observatoire de Las Campanas entre 2018 et 2022. Ils ont utilisé ces observations pour démontrer que les étoiles étaient chaudes, petites, pauvres en hydrogène et dans des systèmes binaires – toutes cohérent avec les prédictions de leur modèle.

Actuellement, les chercheurs continuent d’étudier les étoiles identifiées dans cet article et élargissent leurs recherches pour en trouver davantage. Ils observeront à la fois les galaxies proches et notre propre Voie lactée grâce à des programmes approuvés sur le télescope spatial Hubble, le télescope à rayons X Chandra, les télescopes Magellan et le télescope anglo-australien. Dans le cadre de cette publication, tous les modèles théoriques et données utilisés pour identifier ces étoiles ont été rendus publics et accessibles à d’autres scientifiques.

Les institutions collaboratrices comprennent l'Université de Toronto, les observatoires de la Carnegie Institution for Science, le Max-Planck-Institut für Astrophysik, l'Institut Anton Pannekoek d'astronomie, le Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics et le Steward Observatory.