Image inédite des derniers instants d’une planète percutant une naine blanche

naine blanche debris accretion inedit
| University of Warwick/Mark Garlick
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Des scientifiques de l’Université de Warwick ont observé, pour la première fois, les derniers instants d’une planète en pleine désintégration, tombant vers le noyau de son étoile mourante, la naine blanche G 29-38. Les rayons X émis par les débris, chauffés à environ un million de degrés, ont permis cette découverte fascinante nous éclairant un peu plus sur les processus de formation et d’évolution des systèmes stellaires similaires au nôtre et sur l’avenir des planètes en leur sein.

Les étoiles naines blanches représentent la phase ultime de l’évolution pour la très grande majorité (plus de 97%) des étoiles de taille moyenne. Actuellement, plus de 300 000 naines blanches ont été recensées dans notre galaxie.

À la fin de leur vie, ces étoiles moyennes ont fusionné la plus grande partie de leur hydrogène en hélium. Privées de combustible, elles s’effondrent sur elles-mêmes sous l’effet de la gravitation. L’hélium se transforme en carbone et en oxygène par réaction nucléaire, ne laissant de l’étoile qu’un noyau dense et chaud d’environ 0,6 fois la masse du Soleil. Le reste de l’étoile initiale (ses couches externes) se disperse alors dans le milieu interstellaire sous forme de vents stellaires ou d’éjections de matières dues à des instabilités qui ont précédé le stade de naine blanche.

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Un rayonnement inattendu, un spectacle inédit

La gravité de surface des naines blanches est extrêmement élevée (en moyenne plus de 100 000 fois celle de la Terre). Les éléments légers flottent rapidement à la surface, tandis que les éléments lourds coulent jusqu’au cœur de l’étoile. Cette dernière illumine la nébuleuse planétaire environnante pendant environ 10 000 ans avant de se refroidir totalement.

Pour déterminer la composition des éléments à la surface des naines blanches, les scientifiques utilisent la spectroscopie aux longueurs d’onde optiques et ultraviolettes. Les résultats montrent que 25 à 50% des naines blanches possèdent des éléments lourds comme le calcium, le fer et le magnésium. Puisque ces éléments ne peuvent avoir été conservés à la surface depuis le début de la vie de la naine blanche, leur présence sous-entend qu’ils se sont accrétés très récemment à la surface. On parle alors de naine blanche « polluée ». En 2003, grâce au télescope spatial infrarouge Spitzer, des chercheurs ont pu observer un ensemble de disques autour des naines blanches et l’interpréter comme la signature d’une accrétion continue de débris d’astéroïdes, de comètes et de planètes géantes.

L’étude, publiée le 9 février 2022, présente la première mesure directe de cette accrétion sur une naine blanche. Elle confirme des décennies de preuves indirectes de ce phénomène dans plus d’un millier d’étoiles. Jusqu’ici, les mesures des taux d’accrétion étaient surtout basées sur des modèles numériques calculant la vitesse à laquelle un élément descend de l’atmosphère jusque dans l’étoile. Ceci permet de déduire la quantité de matière chutant (ou taux d’accrétion), puis son origine possible selon sa composition (astéroïdes, etc.).

Grâce à la résolution angulaire améliorée du télescope spatial Chandra, spécialisé dans l’observation des rayons X, les auteurs ont isolé l’étoile cible G29-38 des autres sources de rayons X et ont pu observer, pour la première fois, uniquement ses émissions.

x-ray naine blanche
Image de la naine blanche G 29-38 et ses émissions de rayons X. © T. Cunningham et al., 2022

Le Dr Tim Cunningham, du département de physique de l’Université de Warwick, un des auteurs de l’étude, déclare dans un communiqué : « Nous avons enfin vu de la matière entrer réellement dans l’atmosphère de l’étoile. C’est la première fois que nous avons pu dériver un taux d’accrétion qui ne dépend pas de modèles détaillés de l’atmosphère des naines blanches ».

Le télescope Chandra avait déjà permis, en 2021, de découvrir une naine blanche émettant de violents rayons X de façon intermittente vers son compagnon dans un système binaire (système astronomique regroupant deux objets célestes comme des étoiles, des planètes, des galaxies, des astéroïdes ou des trous noirs). Pour les auteurs, ce serait « le résultat de l’accrétion d’un compagnon caché ». L’étude de T. Cunningham semble confirmer cette hypothèse.

Effectivement, quand la matière de ces corps « compagnons » est attirée dans l’étoile à une vitesse suffisamment élevée, elle heurte sa surface, formant un plasma chauffé par choc. Ce plasma, dont la température est comprise entre cent mille et un million de Kelvins, se dépose ensuite à la surface et, en se refroidissant, émet des rayons X pouvant être détectés.

« Cela a été observé directement pour les naines blanches accrétant des compagnons stellaires, mais jamais pour une naine blanche accrétant des débris planétaires », précise Cunningham.

Comprendre l’évolution de notre propre système solaire

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Cette détection fournit la première preuve directe que les naines blanches accumulent actuellement les vestiges d’anciens systèmes planétaires. Cette nouvelle technique d’observation permettra d’étudier ces systèmes, offrant un aperçu du sort probable des milliers de systèmes exoplanétaires connus.

Notre système solaire pourrait-il suivre ce schéma ? D’après ce que nous savons, d’ici quelques milliards d’années, le Soleil passera au stade de géante rouge et engloutira Mercure, Vénus et la Terre. Au-delà de Mars, en revanche, les planètes ne seraient pas complètement détruites. Elles constitueraient alors un système binaire, avec la naine blanche. Le phénomène d’accrétion s’enclencherait. La formation d’un disque protoplanétaire, composé d’oxygène, de fer, de magnésium, et de silicium (quatre éléments retrouvés en abondance sur Terre) engendrerait potentiellement une nouvelle planète. Ce processus se ferait à la manière d’une étoile dans sa séquence principale (période dans laquelle se trouve actuellement le Soleil).

Étudier la composition des naines blanches polluées pourrait ainsi nous renseigner sur leurs possibilités de donner naissance à des planètes de type terrestres, sur lesquelles la vie, telle que nous la connaissons, pourrait se développer.

Source : Nature

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