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Une géante rouge aurait... avalé une étoile à neutrons

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Une étoile à neutrons a-t-elle été engloutie par une géante rouge ? C'est ce qu'affirme un groupe d'astrophysiciens. Ce genre d'événement avait été prédit en 1975 par Kip Thorne et Anna Zytkow. Plusieurs candidats au titre d'objet de Thorne-Zytkow avaient déjà été découverts, mais celui observé dans le Petit Nuage de Magellan est le plus convaincant à ce jour.

Lorsqu'un astre compact, comme une naine blanche ou un trou noir, est suffisamment proche d'une étoile, il lui arrache de la matière pour former un disque d'accrétion. Le même phénomène doit se produire lorsqu'une étoile à neutrons possède une orbite qui la conduit à pénétrer dans une géante rouge. Il peut alors se former ce qu'on appelle un objet de Thorne-Zytkow. © P. Marenfeld, NOAO, Aura, NSF

Kip Thorne est l'un des plus grands astrophysiciens relativistes du XXe siècle. Élève de John Wheeler, ses contributions les plus connues concernent la physique des ondes gravitationnelles associées aux astres compacts comme les étoiles à neutrons et les trous noirs. On lui doit aussi la première publication sérieuse concernant la possibilité de voyager dans le temps à l'aide d'un trou de ver traversable.

Au début des années 1970, on est alors en plein âge d'or de la théorie des trous noirs, et l'on développe des modèles d'accrétion autour des astres compacts en train d'arracher de la matière à une étoile compagne. Il s'agit de trouver des signatures dans le domaine des rayons X permettant d'identifier des trous noirs, et on commence à en trouver : le cas le plus célèbre étant Cygnus X1 en 1971. Les pulsars ont été découverts quelques années auparavant, plus précisément en 1967 par Jocelyn Bell. On sait donc que des étoiles à neutrons existent bel et bien en tant que restes de l'explosion des supernovae SN II. L'astrophysique relativiste a gagné ses lettres de noblesse, et l'on est en pleine exploration du bestiaire des étoiles relativistes et des astres compacts.

Une étoile à neutrons plonge à Mach 3 dans une géante rouge

Kip Thorne, qui est un des pionniers de cette nouvelle astrophysique, s'est alors mis à réfléchir avec sa collègue Anna Zytkow, aujourd'hui en poste à l'université de Cambridge, sur le destin de certaines étoiles à neutrons dans un système binaire. Les deux chercheurs ont alors examiné, calculs d'ordinateurs à l'appui, ce qui se passerait si l'explosion de l'étoile accompagnant la naissance d'une étoile à neutrons conduisait cette dernière à plonger en direction de son étoile compagne lorsque celle-ci est une géante rouge de type O.

Kip Stephen Thorne est un physicien théoricien américain, connu pour ses contributions dans le domaine de l'astrophysique relativiste, en particulier des trous noirs. C'est l'un des plus grands experts de la théorie de la relativité générale d'Einstein. © Keenan Pepper, Wikimedia Commons, GNU 1.2

Une telle étoile, avec une masse de 10 à 15 fois celle du Soleil, a une densité de l'ordre de celle de l'eau. Une étoile à neutrons aussi dense qu'un noyau d'atome pénètre donc sans difficulté dans l'enveloppe de la géante, s'y trouve freinée et « coule » vers le centre de la géante en mille ans environ. En arrivant dans son cœur, elle peut accréter suffisamment de matière pour s'effondrer en trou noir, de sorte qu'une seconde supernova se produit. Si ce n'est pas le cas, le nouvel astre formé, que l'on appelle un objet de Thorne-Zytkow, va perdre de la masse sous forme de vents stellaires violents et deviendra à terme une étoile à neutrons sans enveloppe.

Des éléments atypiques dans l'atmosphère d'une supergéante

Un tel objet avec une étoile à neutrons à la place du cœur est en convection, des couches au-dessus de l'astre compact à la photosphère de la géante rouge. Ces mouvements emportent vers la surface des noyaux caractéristiques des réactions nucléaires autour de l'étoile à neutrons. On pouvait donc espérer détecter un objet de Thorne-Zytkow en analysant la composition chimique de l'atmosphère de ce qui apparaît de prime abord comme une géante, ou plus exactement une supergéante rouge.

C'est ce qu'ont fait l'astrophysicienne Emily Levesque et ses collègues avec 22 étoiles dans le Petit Nuage de Magellan. Les instruments du télescope Magellan au Chili ont alors révélé que l'une de ces étoiles était anormalement riche en lithium, rubidium et molybdène. À ce jour, la meilleure explication de ces anomalies est que l'on est bel et bien en présence d'un objet de Thorne-Zytkow, bien que les scientifiques s'attendent à trouver un enrichissement plus important.

On estime que dans une galaxie de la taille de la Voie lactée, il se formerait un objet de Thorne-Zytkow tous les 500 à 1.000 ans. C'est loin d'être négligeable lorsqu'on se rappelle qu'il doit se produire quelques supernovae par siècle dans notre Galaxie.