À l'origine des systèmes binaires d'étoiles, une histoire de couple

Publié par Adrien le 29/09/2022 à 09:00
Source: CNRS IN2P3
Les couples d'étoiles massives naissent et évoluent à travers des phases régies par des mécanismes encore mal connus. En observant ces systèmes stellaires lors de phases bien précises de leur évolution, il est possible de retracer leur histoire afin de comprendre d'où ils viennent et ainsi, mieux prédire leur évolution future. Deux études publiées dans la revue Astronomy and Astrophysics par une équipe de chercheurs du laboratoire APC se penchent justement sur ces questions et expliquent l'impact de divers mécanismes évolutifs sur les systèmes binaires tels que les explosions de supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une...) ou leur migration à travers la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...).

Les étoiles massives naissent et évoluent sur des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) - astrophysiquement - courts. En quelques dizaines de millions d'années, elles finissent leur vie (La vie est le nom donné :) en s'effondrant sur elles-mêmes, donnant alors naissance à une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) à neutrons ou un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...). Les mécanismes physiques qui gouvernent l'évolution de ces étoiles massives restent à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) encore mal connus. De plus, une large majorité des étoiles massives passent au moins une partie de leur vie en couple et peuvent, si les conditions le permettent, s'échanger de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) au cours de diverses phases de leur évolution. Étudier ces systèmes binaires se révèle ainsi essentiel pour mieux comprendre l'évolution stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la...) en général.

Parmi les phases d'évolution d'un couple stellaire, celle dite binaire X est particulièrement à étudier: cette phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) a lieu suite à l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) d'une supernova, laissant ensuite sa place à une étoile à neutrons d'un rayon d'une dizaine de kilomètre seulement. Cette même étoile peut alors capter de la matière du compagnon restant, lui permettant ainsi d'émettre de grandes quantités de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) - de rayons X, d'où le nom de binaire X.


Système binaire X, où une étoile à neutrons aspire progressivement son compagnon.
Crédits: Gabriel Pérez Díaz, SMM (Instituto de astrofísica de Canarias).

Une équipe de chercheurs du laboratoire Astroparticule et cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...) (APC, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) Cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la...) / CNRS), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) de La Plata, en Argentine, propose deux études, publiées dans Astrophysics & Astronomy, revenant sur l'histoire des systèmes binaires X observés dans la Voie lactée. Ces recherches tentent d'une part à identifier le lieu de naissance de ces binaires X pour connaître ainsi leur âge exact et, d'autre part, à comprendre comment la supernova affecte la relation entre les deux étoiles. Cette explosion en supernova peut en effet propulser le couple à travers la Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) à des vitesses inatteignables autrement: c'est ce qu'on appelle le kick natal.


Évolution d'un couple de deux étoiles massives en une binaire d'étoiles à neutrons.
Crédits: Francis Fortin, Laboratoire APC (Université Paris Cité / CNRS).

L'apport des données du satellite Gaia (Le satellite Gaia est une mission astrométrique de l'Agence spatiale européenne (ESA) devant...) pour remonter la piste des binaires X

En mesurant la vitesse (On distingue :) de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) des binaires X au sein de la Voie lactée, il est possible de répondre à ces deux questions. Pour cela, les chercheurs ont utilisé les données de Gaia, un satellite (Satellite peut faire référence à :) qui, à ce jour, a établi un catalogue de deux milliards d'étoiles, dont il a mesuré précisément les positions et les vitesses - ce qu'on appelle les mesures astrométriques, y compris celles des binaires X qui les intéressaient.

Pour répondre à la question de l'impact de la supernova sur les couples d'étoiles, les chercheurs ont utilisé des équations déjà existantes qui lient les paramètres orbitaux d'un système binaire avant et après l'explosion d'une supernova. En combinant ces équations avec une approche statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) dite bayésienne, l'équipe a pu estimer la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) du kick natal qui a initialement propulsé ces systèmes aux vitesses mesurées aujourd'hui par Gaia. Ils ont ainsi pu quantifier l'impact de la supernova sur 35 binaires X de notre Voie lactée.

Avec ces mêmes mesures astrométriques de Gaia, il est possible de retracer le chemin parcouru par ces systèmes à travers la Galaxie pendant les quelques millions d'années de leur vie. En intégrant leur mouvement au cours du temps et en comparant leurs trajectoires avec celles des structures galactiques qui abritent la formation stellaire, les chercheurs ont réussi à déterminer le lieu de naissance de ces systèmes binaires. Cela donne une mesure de l'âge des binaires X (allant de 2 à 40 millions d'années sur l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) étudié), et permet même de remonter aux masses initiales des deux étoiles qui les composent. Si ces masses ne sont pas surprenantes pour des étoiles massives, cette étude montre que l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) binaire peut mener à un échange de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) important entre les deux étoiles, pouvant aller jusqu'à deux tiers de leur masse initiale.


Point final de la vie de couple stellaire, ici deux étoiles à neutrons qui finissent par entrer en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) et fusionner.
Crédits: Dana Berry/Skyworks Digital, Inc./The Kavli Foundation.

Ces résultats sur l'impact des supernovas et les lieux de naissance des binaires X massives fournissent des informations précieuses sur leur histoire et pourront être réutilisés pour calibrer les modèles qui prédisent les caractéristiques de la population actuelle de systèmes binaires. Cela permettra, entre autres, de mieux comprendre leur vie jusqu'au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) de binaire compacte: les deux étoiles, alors effondrées, entrent en collision et fusionnent en libérant une bouffée d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) gravitationnelles.

Ces recherches ont fait l'objet d'un financement par le Laboratoire d'Excellence UnivEarthS (Labex UnivEarthS), programme de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) dédié au développement de projets interdisciplinaires dans les domaines des sciences de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) et de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).

Publications:
"Constraints to neutron-star kicks in high-mass X-ray binaries with Gaia EDR3" ; Francis Fortin, Federico García, Sylvain Chaty, Eric Chassande-Mottin, Adolfo Simaz Bunzel ; A&A 665 A31 (2022).
"Finding the birthplace of HMXBs in the Galaxy using Gaia EDR3: Kinematical age determination through orbit (Orbit est une maison d'édition internationale, spécialisée en fantasy et en...) integration" ; F. Fortin, F. Garcia, S. Chaty ; A&A 665, A69 (2022).
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