Cette illustration montre une étoile massive qui est sur le point d'exploser. L'explosion sera déclenchée après que son compagnon, une étoile morte (un trou noir ou une étoile à neutrons) ait plongé dans le noyau de l'étoile. En entrant dans les couches de l'étoile, l'astre compact effectue une orbite en spirale éjectant également une spirale de matière de l'atmosphère de l'étoile pendant quelques siècles. Lorsqu'il a atteint le noyau de l'étoile, la matière du noyau tombe rapidement sur le cadavre stellaire, ce qui conduit au lancement d'une paire de jets presque à la vitesse de la lumière. © Chuck Carter
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Une étoile a explosé en supernova en avalant une étoile à neutrons ou un trou noir

ActualitéClassé sous :Univers , astrophysique , Etoile à Neutrons

On a un peu l'impression que la nouvelle de SF intitulée « Super Neutron », d'Isaac Asimov, devient réalité avec la détection de la source radio VT 1210+4956. Elle serait le produit de l'explosion en supernova d'une étoile géante bleue déclenchée par le fait qu'elle aurait avalé une étoile à neutrons, voire un trou noir.

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[EN VIDÉO] La détection d'ondes gravitationnelles va révolutionner notre perception de l'univers  Il y a un siècle, Einstein avait prédit l’existence d’ondes gravitationnelles par sa théorie de la relativité générale. Leur présence étant à présent avérée, les scientifiques espèrent bientôt les étudier en détail. Voici en vidéo deux projets qui nous permettraient d'en savoir un peu plus sur ces ondulations de l'espace-temps. 

La majorité des étoiles dans la Voie lactée sont des étoiles doubles, certaines sont triples, voire quadruples comme c'est le cas de Zêta de la Grande Ourse, traditionnellement appelée Mizar. Les astrophysiciens modernes en connaissent la raison. Les étoiles naissent dans des nuages moléculaires poussiéreux qui se fragmentent par effondrement gravitationnel, ce qui veut dire qu'un fragment se fragmente lui-même en donnant justement le plus souvent une étoile double.

Il arrive qu'en fait le système binaire ne soit que faiblement lié et que, peu de temps après sa naissance, les deux astres se séparent. On pense que cela a peut-être été le cas du Soleil qui aurait donc un frère jumeau quelque part dans notre Galaxie, avec un âge et une composition chimique très similaires.

Souvent, dans un système binaire, l'une des étoiles est plus massive que l'autre et elle va évoluer plus vite au point parfois d'exploser en supernovae SN II, laissant derrière elle une étoile à neutrons et parfois un trou noir. La seconde étoile peut avoir le même sort plus tard et on suppose que c'est pour cette raison qu'il existe des systèmes binaires d’étoiles à neutrons et de trous noirs, systèmes dont la découverte se fait notamment lorsqu'ils finissent par entrer en collision et émettent alors copieusement des ondes gravitationnelles que détectent sur Terre des instruments comme Virgo et Ligo.

Il n'est pas rare non plus de trouver une étoile en mode géante rouge dont de la matière est arrachée par les forces de marée gravitationnelle d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons qui s'entourent alors d'un disque d'accrétion signalant la présence de l'astre compact par de fortes émissions de rayons X.

Une présentation du VLA. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © National Science Foundation

La radioastronomie, des pulsars aux objets de Thorne–Żytkow

Au milieu des années 1970, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, le futur prix Nobel de Physique Kip Thorne -- l'un des pionniers de l'astrophysique relativiste des astres compacts -- a publié conjointement avec sa collègue polonaise Anna Zytkow des travaux montrant ce qui pouvait également se passer lorsqu'une étoile à neutrons ou un trou noir dans un système binaire se retrouvaient avalés par une géante ou une supergéante rouge ; le même phénomène peut se produire avec des étoiles célibataires en collision mais uniquement dans des amas stellaires, là où la densité et donc la probabilité de collision entre étoiles n'est pas négligeable comme dans la cas des étoiles de notre Voie lactée.

Une étoile à neutrons pouvait ensuite plonger en spirale vers le cœur de la géante pour former un nouvel objet qui peut être suffisamment stable. On parle alors d'objet de Thorne-Żytkow (TŻO ou TZO). Il peut évoluer au cours du temps en donnant une étoile à neutrons entouré d'un disque d'accrétion ou tout simplement s'effondrer en donnant un trou noir. Jusqu'à présent, deux astres étaient candidats au titre d'objet TZO mais sans que l'on puisse vraiment le prouver.

Une variante de ce scénario, exposée dans un article de Science, semble avoir été identifiée par un groupe de chercheurs ayant utilisé les données collectées en premier par le réseau de radiotélescopes du Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). Le 7 septembre 2017, le VLA a en effet débuté une campagne d'observations au Nouveau-Mexique, destinée à cartographié 80 pour cent du ciel en trois phases sur sept ans, il devrait cataloguer environ 10 millions de radiosources. C'est donc l'une des plus grandes observations radio de tout le ciel depuis 40 ans. Incidemment, c'est aussi grâce à la radioastronomie que l'on a démontré l'existence des étoiles à neutrons en découvrant à la fin des années 1960 les premiers pulsars.

Les débris en mouvement rapide d'une explosion de supernova déclenchée par une collision stellaire s'écrasent sur le gaz rejeté plus tôt qui a formé une sorte de tore, et les ondes de chocs résultantes y provoquent une émission radio lumineuse vue par le VLA. © Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Cette même année 2017, une source radio VT 1210+4956 particulièrement lumineuse, qui ne se trouvait pas sur les précédents catalogues, s'est rapidement signalée aux chercheurs dans le ciel de l'hémisphère Nord observé avec le VLA dans le cadre du Very Large Array Sky Survey (VLASS). Intrigué, ils l'ont regardée aussi dans la bande de longueur d'onde d'un télescope cette fois-ci. Ils en ont conclu qu'elle se trouvait dans la banlieue d'une galaxie naine formant des étoiles et située à environ 480 millions d'années-lumière de la Voie lactée. VT 1210+4956 se trouve clairement associée aussi à une récente source transitoire très lumineuse dans le domaine des rayons X.

Des ondes de choc qui font briller un tore de gaz

En combinant ces informations, une première image à commencé à émerger, celle de l'explosion d'une supernova dont l'onde de choc a fini par rejoindre et entrer en collision avec une coquille de matière émise par l'étoile génitrice de la supernova. L'analyse des données indique que la matière de la coquille a été éjectée par l'étoile il y a environ 300 ans, formant plus précisément un tore. Enfin, c'était la première fois que l'on voyait une association d'une source radio de ce genre avec une émission transitoire mais intense de rayons X.

L'explication la plus probable de toutes ces observations fait donc intervenir un système binaire avec des étoiles massives dont l'une a évolué en devenant une étoile à neutrons ou un trou noir. Il y a environ 300 ans, l'astre compact a commencé à pénétrer dans les couches supérieures de l'étoile compagne, une étoile bleue encore sur la séance principale et qui était destinée à exploser à son tour en supernova.

Toujours en orbite autour du centre de masse du système à l'intérieur de la géante bleue et descendant en spirale vers le cœur de l'étoile, l'astre compact a provoqué une éjection aussi en spirale dans son plan orbital d'une partie du plasma de l'étoile. La matière encore chaude est entrée en expansion en dehors de l'étoile pour former un tore.

Une fois l'astre compact au cœur de l'étoile, il s'est entouré d'un disque d'accrétion et a produit, alors que s'amorçait en réponse l'explosion en supernova, deux jets de matière perçant l'étoile et accompagnés de l'émission transitoire de rayons X. La supernova se serait produite en raison de la déstabilisation du cœur de la géante bleue à l'arrivée de l'astre compact, ce qui aurait perturbé les réactions thermonucléaires générant le souffle de rayonnement s'opposant à la gravitation de l'étoile et déclenché l'effondrement gravitationnel classique d'une supernova SN II.

Finalement, comme expliqué précédemment, c'est l'onde de choc de l'explosion finissant par rattraper rapidement le tore en expansion qui l'aurait conduit à devenir brillant dans le domaine radio. Tout ce scénario est résumé par le schéma en 4 étapes ci-dessous avec comme astre compact un trou noir.

Le scénario en quatre étapes expliquant les observations autour de la source radio VT 1210+4956. © Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
Pour en savoir plus
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

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

Article de Laurent Sacco publié le 20/01/2014

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.

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.

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