Une relation étrange lie la masse à la taille dans les naines blanches : plus une naine blanche gagne de la masse, plus sa taille rétrécit. Cette relation, appelée relation masse-rayon, a été théorisée pour la première fois par l’astrophysicien lauréat du prix Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar dans les années 1930. Récemment, une équipe d’astrophysiciens a enfin pu confirmer expérimentalement la théorie de Chandrasekhar grâce à l’observation de plusieurs milliers de naines blanches.

Une équipe d’astrophysiciens de Johns Hopkins a développé une méthode pour observer le phénomène lui-même en utilisant des données astronomiques collectées par le Sloan Digital Sky Survey et un ensemble de données récent publié par l’observatoire spatial Gaia. Les ensembles de données combinés ont fourni plus de 3000 naines blanches à étudier.

« La relation masse-rayon est une combinaison spectaculaire de mécanique quantique et de gravité, mais elle est contre-intuitive pour nous — nous pensons qu’à mesure qu’un objet prend de la masse, il devrait grossir », déclare Nadia Zakamska.

« La théorie existe depuis longtemps, mais ce qui est remarquable, c’est que l’ensemble de données que nous avons utilisé est d’une taille et d’une précision sans précédent. Ces méthodes de mesure, qui dans certains cas ont été développées il y a des années, fonctionnent tout à coup tellement mieux et ces vieilles théories peuvent enfin être explorées ».

La mesure par redshift gravitationnel de la relation taille-masse des naines blanches

L’équipe a obtenu ses résultats en utilisant une combinaison de mesures, y compris principalement l’effet de décalage vers le rouge gravitationnel, qui est le changement des longueurs d’onde de la lumière du bleu au rouge lorsque la lumière s’éloigne d’un objet. C’est un résultat direct de la théorie d’Einstein de la relativité générale.

L’équipe a également dû expliquer comment le mouvement d’une étoile dans l’espace pouvait affecter la perception de son décalage gravitationnel vers le rouge. Comme la façon dont une sirène de pompier change de fréquence en fonction de son mouvement par rapport à la personne qui écoute, les fréquences lumineuses changent également en fonction du mouvement de l’objet émetteur par rapport à l’observateur.

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redshift rayon

Redshift gravitationnel en fonction du rayon photométrique (en haut à gauche) et de la gravité de surface spectroscopique (en haut à droite). En bas, la relation masse-rayon dérivée depuis chaque observable. Crédits : Vedant Chandra et al. 2020

C’est ce qu’on appelle l’effet Doppler, et c’est essentiellement un « bruit » de fond qui complique la mesure de l’effet de décalage vers le rouge gravitationnel, explique Sihao Cheng. Pour tenir compte des variations causées par l’effet Doppler, l’équipe a classé les naines blanches dans leur ensemble d’échantillons par rayon.

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Ils ont ensuite fait la moyenne des décalages vers le rouge des étoiles de taille similaire, déterminant efficacement que peu importe où une étoile elle-même se trouve ou où elle se déplace par rapport à la Terre, on peut s’attendre à ce qu’elle ait un décalage gravitationnel intrinsèque d’une certaine valeur.

Vers une meilleure compréhension de la structure des naines blanches

Ces valeurs de décalage vers le rouge gravitationnel intrinsèques peuvent être utilisées pour étudier les étoiles observées dans les futurs ensembles de données. Les chercheurs affirment que les ensembles de données à venir, plus grands et plus précis, permettront de peaufiner davantage leurs mesures et que ces données pourraient contribuer à l’analyse future de la composition chimique de la naine blanche.

« Parce que l’étoile devient plus petite à mesure qu’elle devient plus massive, l’effet de décalage vers le rouge gravitationnel croît également avec la masse. Et c’est un peu plus facile à comprendre — il est plus facile de sortir d’un objet moins dense et plus gros que de sortir d’un objet plus massif et plus compact. Et c’est exactement ce que nous avons vu dans les données », conclut Zakamska.

Sources : arXiv

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