Micronova : un type d’explosion stellaire jusqu’ici inconnu nous éclaire sur la vie et la mort des étoiles

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Vue d’artiste d’un système à deux étoiles où des micronovas peuvent se produire. | ESO/M. Kornmesser et L. Calçada
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Les étoiles ne sont pas statiques. Non seulement elles sont le siège de réactions dégageant une forte énergie, mais durant leur longue vie, la plupart changent de taille et d’aspect, passant d’un amas massif de gaz à leur fin de vie agitée à leur mort explosive (les supernovas) ou par extinction. Mais une nouvelle phase a été découverte. Pour la première fois, des astronomes ont découvert une micronova. Les micronovas résulteraient d’une explosion à la surface de certaines étoiles — qui serait un million de fois moins puissante que les explosions de novas classiques et de plus petite taille, ne durant que quelques heures. Les micronovas sont donc plus difficiles à détecter, mais pourraient être très nombreuses. Les mini explosions desquelles elles résultent permettront d’approfondir les connaissances sur le cycle de vie des étoiles et la façon dont les éruptions stellaires se produisent.

Les étoiles naissent par condensation de gaz au sein des nébuleuses. Celles qui sont assez massives pour amorcer et maintenir des réactions thermonucléaires brillent alors en fusionnant de l’hélium et de l’hydrogène. La suite de leur histoire est déterminée par leur masse. En termes simples, plus une étoile est grande, plus sa vie est courte. C’est ainsi qu’une étoile de la masse du Soleil, au bout d’une dizaine de milliards d’années, se transforme en géante rouge très instable, avant de perdre une grande partie de sa masse, formant alors une naine blanche de faible luminosité.

En quelques millions d’années, les étoiles les plus massives deviennent des supergéantes qui implosent en supernovas, dont les restes engendrent une étoile à neutrons ou un trou noir. Ces évènements extrêmement violents sont rares. À l’exception d’une supernova observée en 1987 dans une galaxie naine proche de nous, aucune supernova ne s’est produite dans notre galaxie, à notre connaissance, depuis les débuts de l’astronomie moderne.

Néanmoins, avant d’arriver à cette implosion finale, les naines blanches connaissent ce que l’on appelle des novas classiques. C’est une phase stellaire déclenchée par une explosion puissante qui peut se produire dans des systèmes d’étoiles binaires — composés de deux étoiles orbitant autour d’un centre de gravité commun. Dans ces systèmes, le partenaire le plus massif peut « voler » de la matière, principalement de l’hydrogène, à son étoile compagne. On parle alors d’étoile cannibale. Lorsque ce gaz tombe sur la surface très chaude de l’étoile naine blanche, il déclenche la fusion explosive des atomes d’hydrogène en hélium. Dans les novas, ces explosions thermonucléaires se produisent sur toute la surface stellaire, mais ne la détruisent pas. Les novas classiques apparaissent comme des éclairs de lumière intense qui peuvent être détectés sur Terre en utilisant des télescopes avancés ; ces flashs peuvent persister plusieurs semaines voire plusieurs mois.

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Récemment, une équipe d’astronomes de l’Université de Durham, avec l’aide du Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral (VLT de l’ESO), situé dans le désert d’Atacama, au nord du Chili, a été témoin d’un phénomène ressemblant à une nova classique, mais en plus petit. Une explosion plus brève, plus modeste, plus insaisissable, qu’ils ont nommée micronova. La découverte est décrite dans la revue Nature.

Des explosions localisées et brèves dans la constellation de la Colombe

Les chercheurs, dirigés par Simone Scaringi au Centre d’astronomie extragalactique de l’Université de Durham, se sont intéressés aux données du Satellite d’Étude des Exoplanètes en Transit de la NASA, TESS. Ce dernier est utilisé pour rechercher des planètes autour d’autres étoiles, en examinant de près la lumière de ces étoiles, des baisses de luminosité pouvant être causées, potentiellement, par d’autres planètes passant devant.

Plus précisément, l’équipe s’est concentrée sur le système binaire Gamma Columbae (γ Col/γ Columbae) de la constellation australe de la Colombe. Ce système est composé d’une naine blanche et d’une étoile compagne, visible à l’œil nu en tant que 6e étoile la plus brillante de la constellation.

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Le télescope VLT en action. © ESO Photo Ambassador Serge Brunier

C’est alors qu’ils ont détecté un flash beaucoup plus court et moins intense en provenance d’un système binaire, qui n’a duré que 10 heures avant de s’éteindre. Après cette observation, l’équipe a détecté deux autres flashs similaires et un quatrième parmi les études précédentes. Les astronomes ont supposé qu’il s’agissait de versions beaucoup plus faibles des novas classiques, mais ils n’avaient aucun moyen d’expliquer comment ou pourquoi. Scaringi, auteur principal, explique dans un communiqué : « Nous ne pouvions pas l’expliquer jusqu’à ce que nous fassions enfin le lien selon lequel il pourrait s’agir d’explosions thermonucléaires se produisant sur des naines blanches en accrétion ».

D’ailleurs, les scientifiques pensent que les micronovas et les novas classiques ne se produisent que dans des systèmes binaires où l’étoile cannibale la plus massive est une naine blanche. Scaringi déclare : « Dans les novas classiques, la naine blanche en accrétion construit une couche d’hydrogène frais qui recouvre toute l’étoile. Une fois que cette couche atteint des températures et des pressions suffisamment élevées, toute la couche s’enflamme ». Cependant, des modèles informatiques créés par les chercheurs ont révélé que pendant les micronovas, l’accrétion d’hydrogène ne se produit probablement qu’autour des pôles magnétiques de l’étoile.

En effet, ce qui peut se produire habituellement, c’est qu’une naine blanche attire suffisamment de matière de son compagnon pour grossir. Et lorsqu’elle atteint une masse critique, elle s’effondre sur elle-même, provoquant une implosion de supernova thermonucléaire. Mais ce n’est pas ce qui arrive dans la Constellation de la Colombe. L’étoile accrète bien la matière de son compagnon, mais au lieu de continuer à cumuler de la masse jusqu’à dépasser la limite, elle produit de plus petites explosions à sa surface que l’équipe a donc surnommées « micronovas ». Scaringi souligne : « C’était une vraie surprise, ce type d’explosions n’a pas lieu sur les naines blanches, et il nous a fallu toute une année pour comprendre de quoi il s’agissait ».

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Un champ magnétique qui canalise les explosions

Cette découverte interroge quant à la raison pour laquelle cette naine blanche ne se consume pas entièrement. L’accrétion limitée signifie qu’une micronova a besoin de beaucoup moins d’hydrogène pour atteindre la température et la pression nécessaires à la détonation. C’est pourquoi les explosions sont beaucoup plus petites que celles des novas classiques et durent moins longtemps. Les chercheurs de l’étude ont d’abord été perplexes quant à la raison pour laquelle les naines blanches en accrétion qui produisent des micronovas ne recueillent l’hydrogène qu’à leurs pôles. Mais ils soupçonnent maintenant qu’une telle accrétion est déterminée par la force des champs magnétiques des étoiles.

D’après les auteurs, cela pourrait être dû à la fusion de l’hydrogène. Sur une supernova classique, l’hydrogène provient du compagnon : il est attiré jusqu’à la naine blanche, puis en arrivant sur la surface extrêmement chaude, les atomes s’excitent, fusionnent pour former de l’hélium, et explosent. Mais certaines naines blanches agissent différemment : la force de leur champ magnétique canalise l’hydrogène au niveau des pôles magnétiques, comme si les atomes passaient dans un entonnoir pour se rassembler à un seul point. Ainsi, ces zones sont les seules à être touchées par les explosions. Au lieu de se consumer totalement, l’étoile ne subit que quelques « mini » explosions thermonucléaires.

Effectivement, Paul Groot, astronome à l’Université Radboud aux Pays-Bas et co-auteur de l’étude, explique : « Pour la première fois, nous avons maintenant vu que la fusion de l’hydrogène peut également se produire de manière localisée. Le carburant hydrogène peut être contenu à la base des pôles magnétiques de certaines naines blanches, de sorte que la fusion ne se produit qu’à ces pôles magnétiques ». Scaringi ajoute : « Nous pensons que le champ magnétique puissant de la naine blanche maintient le flux accrété de matière confiné aux pôles magnétiques et empêche ce flux de se propager sur toute la surface de la naine blanche ». Mais pour ce faire, le champ magnétique doit être extrêmement puissant, les auteurs l’estiment entre 1 et 10 millions de Gauss. Notons que le champ magnétique terrestre se situe entre 0,25 et 0,65 Gauss, et le plus puissant observé à ce jour est celui du soleil, d’environ 350 Gauss.

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Néanmoins, la plupart des naines blanches présentent des champs magnétiques bien plus limités que celui nécessaire à ces micro-explosions et ne produisent donc que des novas classiques. Malgré ces limites, les micronovas remettent en question la compréhension des astronomes des explosions stellaires, et seraient peut-être plus abondantes qu’on ne le pensait. Scaringi explique : « Cela montre à quel point l’Univers est dynamique. Ces événements peuvent en fait être assez courants, mais parce qu’ils sont si rapides, ils sont difficiles à saisir en pleine action ».

Enfin, même si ces types d’explosions stellaires (les explosions de micronovas) ont environ un millionième de la puissance d’une explosion de nova, le terme « micro » ne doit pas nous induire en erreur. Il ne s’agit pas d’événements de faible ampleur : une seule de ces explosions peut brûler environ 20 000 000 milliards de kg de matière, soit environ 3,5 milliards de grandes pyramides de Gizeh, selon les auteurs.

L’équipe souhaite maintenant capturer davantage de ces événements insaisissables, nécessitant des enquêtes à grande échelle et des mesures de suivi rapides. Scaringi conclut : « La réponse rapide des télescopes tels que le VLT ou le New Technology Telescope de l’ESO, et la suite d’instruments disponibles, nous permettront de découvrir plus en détail ce que sont ces mystérieuses micronovas. […] Une fois mis à l’échelle, les micronovas et les sursauts de rayons X de type 1 [indices des étoiles à neutrons] semblent remarquablement similaires ». Cela suggère qu’en trouvant et en étudiant davantage de micronovas, les chercheurs pourraient également en apprendre davantage sur les étoiles à neutrons.

Source : Nature

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