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Les novae peuvent aussi briller en gamma !

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On pensait que cela n'était pas possible mais le Cosmos n'étant pas au courant, il l'a fait... Le télescope Fermi a observé l'émission de rayons gamma par une nova récemment découverte par des astronomes amateurs japonais.

Le Large Area Telescope de Fermi ne montre aucun signe d'une nova pour V407 Cyg 19 jours avant le 10 mars 2010 (à gauche), mais l'éruption est évidente par la suite (à droite). Les images montrent le taux de rayons gamma dont les photons ont des énergies supérieures à 100 millions d'électron-volts (100 MeV); les couleurs vives indiquent les taux les plus élevés. Crédit : Nasa / DOE / Collaboration LAT Fermi

Les étoiles variables sont des étoiles dont la luminosité peut varier de façon significative, parfois spectaculaire, sur une courte période de temps. On en connaît plusieurs types, dépendant de l'objet astrophysique et du mécanisme à l'origine de la variation de la quantité de lumière émise. L'un des plus célèbres est sans conteste celui des novae.

Dans ce cas, l'étoile peut même sembler nouvelle quand elle était auparavant invisible à l'œil nu, d'où leur nom. Parmi les plus connues figurent bien sûr celles observées par Tycho Brahe et Kepler. Ces grands astronomes ne disposaient cependant pas des connaissances permettant de comprendre ce phénomène troublant. Il faudra pour cela attendre l'avènement de l'astrophysique nucléaire au XXe siècle.

De nos jours, on distingue les novae et les supernovae (ce dernier cas étant d'ailleurs celui observé par Brahe et Kepler). Moins lumineuses, les novae résultent de l'accumulation de matière à la surface d'une naine blanche dans un système binaire, par exemple lorsque la seconde étoile gonfle tellement qu'elle dépasse la taille de son lobe de Roche. Il arrive alors un moment où des réactions thermonucléaires comme celle du cycle de Bethe (CNO) vont s'allumer à la surface de la naine blanche, provoquant une explosion augmentant la magnitude du système binaire pendant quelques jours. Contrairement au cas des supernovae de type SN Ia, bien plus lumineuses, la naine blanche reste intacte et le phénomène peut se reproduire.

Des astronomes amateurs japonais ont pris une image de Nova Cygni 2010. La nova (dans le cercle à droite) était 10 fois plus brillante que l’étoile avant sa phase éruptive et atteignait une magnitude 6,9, juste en dessous du seuil de visibilité à l'œil nu. Crédits : Nasa-K. Nishiyama et F. Kabashima/H. Maehara, Université de Kyoto

Beaucoup d'astronomes amateurs de par le monde surveillent les étoiles variables et sont à l'affût des novae et des supernovae. Un groupe de Japonais s'est ainsi rendu compte que quelque chose s'était passé le 10 mars 2010 dans le cas de l'étoile V407 Cygni, située à 9.000 années-lumière environ dans la constellation du Cygne.

Il s'agit d'une étoile symbiotique, c'est-à-dire d'une géante rouge de type M associée à une naine blanche accrétant de la matière en provenance de cette étoile. La géante elle-même a une taille de l'ordre de 500 fois celle du Soleil et elle perd sa masse sous forme de vent stellaire avec un taux d'environ une masse terrestre en 10 ans.

Plus fort que la théorie

Prévenus, les astronomes professionnels avaient commencé par étudier la nova dans le domaine des rayons X avec le satellite Swift. Mais à leur grand étonnement, ils ne tardèrent pas à faire le lien avec des observations réalisées dans le domaine gamma grâce au satellite Fermi.

Il fallut se rendre à l'évidence. Alors qu'aucun théoricien ni aucune observation précédente ne laissaient penser qu'une nova pouvait être une source importante de rayons gamma, c'était pourtant bien ce qui s'était produit pour V407 Cygni. La brusque libération de photons gamma restait tout de même très largement inférieure à celle associée aux fameux sursauts gamma.

Pour expliquer ce phénomène, une hypothèse est proposée dans un article qui vient d'être publié dans Science.


Cette vidéo représente le mécanisme supposé d’émission de rayons gamma par la nova de V407 Cyg lorsque le flot de particules accélérées par l’onde de choc de l’explosion heurte les vents stellaire de la géante rouge compagne de l’étoile. Crédits : Nasa/Goddard Space Flight CenterConceptual Image Lab

De même que les ondes de chocs des supernovae sont capables d'accélérer des particules chargées pour donner les énergies observées dans les rayons cosmiques en provenance du milieu interstellaire, celles générées par la naine blanche auraient eu le même effet.

Suite à l'explosion, dont la puissance est équivalente à mille fois celle libérée par le Soleil en un an, une onde de choc se déplaçant à 1% de la vitesse de la lumière est partie de la surface de la naine blanche. Composée d'un plasma et d'un champ magnétique intense, cette onde serait rapidement entrée en collision avec le vent stellaire de la géante rouge.


Cette image prise à Saint-Georges, aux Bermudes, montre la nova (étoile rouge, au centre) le 17 mars, toujours brillante environ une semaine après le début de sa phase éruptive. Crédit Steve O'Connor

Les chocs entre les protons étaient suffisamment violents pour produire des mésons pi neutres. Instables, ces particules peuvent se désintégrer en émettant des photons gamma et ce serait là la principale source des émissions gamma. Les astrophysiciens n'excluent pas cependant la présence d'un effet Compton inverse, c'est-à-dire ici d'un choc entre un électron du plasma et un photon issu de la géante, lequel passerait alors dans le domaine gamma.

On ne pensait pas que les novae pouvaient posséder un champ magnétique suffisamment intense pour accélérer des particules aux niveaux d'énergies requis pour produire des rayons gamma. Comme elles sont moins rares dans la Voie lactée que les supernovae (30 à 60 par an), on peut penser que Fermi en découvrira quelques autres accompagnées de ces émissions.

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