En utilisant le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, des astronomes ont identifié ce qui pourrait être le système stellaire quadruple de type 3+1 le plus compact connu à ce jour. Il s’agit d’une configuration 3+1 — une étoile orbitant autour d’un système triple — l’ensemble tenant dans un espace équivalent à la distance séparant Jupiter du Soleil. Le système finirait par fusionner pour ne laisser, à terme, que deux naines blanches orbitant l’une autour de l’autre.
Les systèmes stellaires hiérarchiques multiples, où plusieurs étoiles gravitent les unes autour des autres selon une organisation structurée, constituent des laboratoires précieux pour comprendre la formation des étoiles et des systèmes planétaires, ainsi que leur stabilité orbitale à long terme. Plusieurs travaux ont également suggéré qu’ils pourraient conduire à l’émergence d’objets cosmiques exotiques renfermant des étoiles effondrées.
Dans les systèmes triples, deux des trois étoiles forment généralement un système binaire interne, tandis que la troisième décrit une orbite plus large autour de ce duo central.
Les systèmes quadruples hiérarchiques présentent, quant à eux, deux grandes architectures dynamiques. Dans les configurations de type 2+2, les étoiles se répartissent en deux sous-systèmes binaires internes orbitant l’un autour de l’autre à grande distance. À l’inverse, les systèmes de type 3+1 se composent d’un sous-système triple interne autour duquel une quatrième étoile évolue sur une trajectoire plus étendue.
Si de nombreux systèmes triples ont été détectés, très peu de systèmes quadruples — en particulier ceux de type 3+1 — ont été identifiés à ce jour, en raison notamment de la difficulté d’observer et de modéliser les mouvements complexes de plus de trois étoiles au sein d’un même ensemble gravitationnel.
Des chercheurs de l’Université de Szeged, en Hongrie, annoncent avoir détecté le système quadruple de type 3+1 le plus compact jamais observé. « TIC 120362137 détient un record, car nous avons découvert que l’étoile la plus éloignée possède une période orbitale d’environ 1 046 jours seulement, de loin la plus courte parmi toutes les étoiles quadruples 3+1 actuellement connues », a expliqué l’auteur principal de l’étude, Tamás Borkovits, à Space.com.
Une 4e étoile orbitant autour de 3 étoiles en orbites serrées
Les premières observations de TIC 120362137 laissaient penser qu’il s’agissait d’un simple système binaire dont les deux étoiles s’éclipsent mutuellement tous les 3,3 jours terrestres, provoquant une baisse de luminosité d’une à deux heures. « Nous connaissons des milliers de systèmes de ce type, appelés binaires à éclipses. Par conséquent, rien de particulier ne sautait aux yeux à ce stade », précise Borkovits.
Un examen plus approfondi des données de TESS a toutefois révélé des baisses de luminosité supplémentaires, d’une durée comprise entre un et deux jours, survenant tous les 25 à 26 jours. Ces événements correspondent vraisemblablement à des éclipses primaires et secondaires, indiquant la présence d’une troisième étoile dotée d’une période orbitale d’environ 51 jours.
Les chercheurs en ont conclu que TIC 120362137 constituait un système triple compact : trois étoiles évoluant sur des orbites si resserrées qu’elles pourraient tenir à l’intérieur de l’orbite de Mercure, la planète la plus proche du Soleil.
« Cependant, nous ignorions encore l’existence de la quatrième étoile à ce moment-là », souligne Borkovits. « La découverte de tels systèmes est extrêmement difficile. Mettre en évidence une quatrième composante, plus éloignée, en observant des éclipses comme pour le système interne exige bien davantage de temps, peut-être même plusieurs décennies. D’autres méthodes de détection sont possibles, mais elles relèvent souvent du hasard. »
D’autres observations ont permis de détecter de nouvelles éclipses, révélant la présence d’une quatrième étoile orbitant autour du triplet interne en 1 046 jours. Pour parcourir cette orbite, elle est située à une distance comparable à la distance moyenne entre Jupiter et le Soleil. Sa présence a été confirmée grâce au spectrographe échelle réflecteur Tillinghast (TRES), installé sur le télescope Tillinghast au mont Hopkins, en Arizona, selon des résultats publiés le 3 mars dans la revue Nature Communications.
La rangée supérieure présente le système vu de dessus, tandis que la rangée centrale le montre vu de côté (par TESS). La partie inférieure illustre la courbe de lumière observée par TESS et celle obtenue par modélisation photodynamique entre le 22 juillet et le 4 août 2022, correspondant à une partie des observations du secteur 54 effectuées par la sonde TESS. Les colonnes de gauche montrent l’ensemble du système quadruple, tandis que celles de droite illustrent le mouvement du sous-système triple interne. © Brian P. Powell, Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Deux naines blanches d’ici environ 9,39 milliards d’années
En analysant les caractéristiques du système, les chercheurs ont établi que les trois étoiles du triplet interne sont plus massives et plus chaudes que le Soleil, tandis que la plus éloignée, plus froide, présente une masse comparable à celle de notre étoile. Des simulations informatiques modélisant leur évolution indiquent que le système sera, à terme, réduit à deux naines blanches.
L’étoile la plus massive du système interne fusionnera d’abord avec la seconde lorsqu’elle deviendra une géante rouge. Dans un second temps, environ 276 millions d’années plus tard, l’étoile issue de cette première fusion entrera en collision avec la troisième, lorsque toutes deux auront atteint le stade de géante rouge. L’étoile massive résultante de cette double fusion finira par éjecter son enveloppe externe avant de s’effondrer sur elle-même pour devenir une naine blanche.
Parallèlement, la quatrième étoile du système initial épuisera, elle aussi, son combustible thermonucléaire et deviendra une géante rouge avant d’éjecter son enveloppe externe et de s’effondrer en naine blanche. « Finalement, notre modèle d’évolution prédit la formation d’un système binaire composé de ces deux naines blanches, avec une période orbitale d’environ 44 jours », précise Borkovits.
La transformation complète du système en un binaire de naines blanches interviendrait dans environ 9,39 milliards d’années. La naine blanche la plus massive, issue de la double fusion, représenterait environ 89 % de la masse du Soleil, tandis que celle provenant de la quatrième étoile atteindrait près de 29 % de la masse solaire. Selon les chercheurs, TIC 120362137 offre ainsi une occasion rare d’étudier la dynamique et l’évolution de systèmes stellaires compacts à composantes multiples.
