Découverte d'un Système Binaire Inédit : Une Étoile en Orbite à l'Intérieur d'une Autre

One Star Is Orbiting Inside Another in This Never-Before-Seen Binary System

Découverte d'un Système Binaire Inédit : Une Étoile en Orbite à l'Intérieur d'une Autre

Pour la première fois, des astronomes ont observé un système binaire extraordinaire où une étoile à neutrons en rotation rapide est gravitationnellement liée à une étoile compagnon d'hélium. Cette découverte confirme un processus cosmique théorisé depuis longtemps mais rarement observé : l'évolution en enveloppe commune.

Les systèmes binaires, c'est-à-dire des paires d'étoiles en orbite mutuelle, sont très courants dans l'univers. On estime qu'environ 85% des étoiles ont au moins un compagnon. Mais cette paire nouvellement découverte est unique en son genre.

Dans ce cas, une étoile d'hélium est liée à un pulsar milliseconde - une étoile à neutrons tournant extrêmement vite qui émet des faisceaux de radiation à intervalles réguliers. Ces étoiles atteignent leur vitesse de rotation extraordinaire en siphonnant la matière de leurs compagnons stellaires proches.

En mai 2020, une équipe dirigée par Jin Lin Han, radioastronome à l'Observatoire astronomique national de l'Académie des sciences chinoise à Pékin, a utilisé le radiotélescope FAST pour détecter de faibles signaux provenant d'un point profond de la Voie lactée.

Quelques mois plus tard, les chercheurs ont confirmé qu'il s'agissait d'émissions d'un pulsar. Après 4,5 ans d'observation, leurs mesures ont révélé que cette étoile n'est pas seule : elle fait partie d'un système binaire avec une période orbitale de 3,6 heures. Pendant un sixième de cette orbite, le rayonnement du pulsar est occulté par son compagnon.

"C'est une partie importante de l'orbite. C'est étrange, seul un gros compagnon peut faire ça", a déclaré Han à Gizmodo.

Habituellement, un pulsar milliseconde est accompagné d'une naine blanche - le cœur dense et chaud laissé par une étoile comme notre Soleil après épuisement de son carburant. Mais les données collectées indiquent que ce compagnon se situe entre un objet compact et une étoile normale.

Des analyses approfondies ont révélé que ce compagnon a une masse similaire au Soleil mais n'est pas une étoile normale car invisible à toutes longueurs d'onde hors du spectre radio. Les chercheurs en ont conclu qu'il s'agit d'une étoile dépouillée de son hydrogène, ne laissant qu'un cœur principalement composé d'hélium. Ces résultats ont été publiés dans la revue Science.

Han affirme qu'un tel système binaire "n'a jamais été découvert auparavant", mais correspond à la théorie de l'évolution en enveloppe commune. Duncan Lorimer, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Virginie-Occidentale, explique que ce processus diffère des interactions binaires habituelles.

Normalement, le champ gravitationnel intense de l'étoile à neutrons attire la matière d'une étoile compagnon en expansion, permettant à ses couches externes gazeuses d'être "mangées". Ce processus d'accrétion fait "accélérer" la rotation de l'étoile à neutrons, la transformant en pulsar.

Mais dans l'évolution en enveloppe commune, "l'étoile compagnon est si grande que ses couches externes engloutissent aussi l'étoile à neutrons", explique Lorimer. "Cela agit comme un frein sur tout le système binaire".

À l'intérieur de l'enveloppe de l'étoile compagnon, la friction fait spiraler le pulsar et le noyau du compagnon l'un vers l'autre, formant un système binaire ultra-compact comme celui observé. Avec une période orbitale de seulement 3,6 heures, ces objets orbitent très proches l'un de l'autre.

Finalement, les couches externes de l'étoile compagnon sont expulsées, expliquant pourquoi le compagnon d'hélium de ce pulsar milliseconde est dépouillé. Victoria Kaspi, professeure de physique à l'Université McGill, souligne que cette voie évolutive n'est pas surprenante mais que sa découverte est remarquable.

"La question intéressante est : si vous trouvez 1000 pulsars millisecondes, quelle fraction ressemblera à celui-ci ? Environ 1 sur 1000. Et ils l'ont trouvé", dit-elle.

Han et son équipe pensent qu'il existe plus d'une douzaine de systèmes similaires dans notre galaxie, ce qui les rend exceptionnellement rares. Leur découverte constitue une "grande percée", selon Lorimer. Il ajoute : "Plus nous trouvons de pulsars millisecondes, plus nous avons de chances de découvrir des résultats évolutifs rares. Ce système en est un excellent exemple."

Phát Hiện Hệ Sao Nhị Phân Kỳ Lạ: Một Ngôi Sao Quay Bên Trong Ngôi Sao Khác

Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà thiên văn học đã phát hiện một hệ sao nhị phân chưa từng thấy trước đây, nơi một sao neutron quay nhanh bị ràng buộc hấp dẫn với một sao helium đồng hành. Khám phá này giúp xác nhận một quá trình vũ trụ từ lâu đã được lý thuyết hóa nhưng hiếm khi quan sát được: tiến hóa trong lớp vỏ chung.

Hệ sao nhị phân, hay các cặp sao quay quanh nhau, rất phổ biến trong vũ trụ. Ước tính khoảng 85% số sao có ít nhất một sao đồng hành. Tuy nhiên, cặp sao mới được phát hiện này hoàn toàn khác biệt.

Trong trường hợp này, một sao helium liên kết với một pulsar mili giây - một sao neutron quay cực nhanh phát ra các chùm bức xạ đều đặn. Những ngôi sao này đạt được tốc độ quay đáng kinh ngạc bằng cách hút vật chất từ sao đồng hành gần đó.

Vào tháng 5/2020, nhóm nghiên cứu do Jin Lin Han, nhà thiên văn vô tuyến tại Đài quan sát Thiên văn Quốc gia thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh dẫn đầu, đã sử dụng kính viễn vọng vô tuyến FAST của Trung Quốc để phát hiện tín hiệu yếu từ một điểm sâu trong Dải Ngân hà.

Vài tháng sau, họ xác nhận đây là bức xạ từ một pulsar. Sau 4,5 năm theo dõi, các phép đo cho thấy pulsar này không đơn độc mà là một phần của hệ nhị phân, quay quanh sao đồng hành mỗi 3,6 giờ. Đặc biệt, trong 1/6 quỹ đạo này, bức xạ từ pulsar bị che khuất bởi sao đồng hành.

"Đây là một phần lớn của quỹ đạo. Điều này rất lạ, chỉ một sao đồng hành lớn mới có thể làm vậy," Han chia sẻ với Gizmodo.

Thông thường, pulsar mili giây đi kèm với sao lùn trắng - phần lõi đặc, nóng còn lại sau khi một ngôi sao như Mặt Trời cạn kiệt nhiên liệu. Tuy nhiên, dữ liệu của Han và đồng nghiệp cho thấy sao đồng hành này nằm giữa một vật thể đặc và một ngôi sao bình thường.

Nghiên cứu sâu hơn tiết lộ sao đồng hành có khối lượng tương đương Mặt Trời nhưng không phải sao bình thường vì không thể phát hiện ở bất kỳ bước sóng nào ngoài phổ vô tuyến. Các nhà khoa học kết luận đây là một ngôi sao đã bị mất lớp hydro, chỉ còn lại lõi chủ yếu là helium. Phát hiện được công bố trên tạp chí Science.

Han khẳng định đây là hệ nhị phân "chưa từng được phát hiện trước đây", nhưng phù hợp với lý thuyết về tiến hóa trong lớp vỏ chung. Duncan Lorimer, giáo sư vật lý và thiên văn tại Đại học West Virginia, giải thích quá trình này khác với tương tác thông thường trong hệ nhị phân.

Thông thường, trường hấp dẫn mạnh của sao neutron hút vật chất từ sao đồng hành đã mở rộng, khiến lớp khí bên ngoài bị "ăn thịt". Quá trình bồi tụ này khiến sao neutron "quay nhanh hơn" và trở thành pulsar.

Nhưng trong tiến hóa lớp vỏ chung, "sao đồng hành lớn đến mức lớp ngoài của nó nuốt chửng cả sao neutron", Lorimer nói. "Điều này như một phanh hãm cho toàn bộ hệ nhị phân".

Bên trong lớp vỏ ngoài của sao đồng hành, ma sát khiến pulsar và lõi sao đồng hành xoắn vào nhau, tạo thành hệ nhị phân siêu đặc như hệ mà Han và đồng nghiệp quan sát được. Với chu kỳ quỹ đạo chỉ 3,6 giờ, chúng quay quanh nhau rất gần.

Cuối cùng, lớp ngoài của sao đồng hành bị đẩy ra, giải thích tại sao sao đồng hành helium của pulsar mili giây này bị trơ trụi. Victoria Kaspi, giáo sư vật lý tại Đại học McGill, cho biết con đường tiến hóa này không gây ngạc nhiên nhưng việc tìm thấy nó rất đáng chú ý.

"Câu hỏi thú vị là, nếu bạn tìm thấy 1.000 pulsar mili giây, bao nhiêu trong số đó sẽ giống cái này? Có lẽ khoảng 1/1.000. Và họ đã tìm thấy nó," bà nói.

Han và đồng nghiệp tin rằng có hơn một chục hệ tương tự trong thiên hà chúng ta, khiến chúng cực kỳ hiếm. Việc tìm thấy một trong số đó là "bước đột phá lớn", theo Lorimer. Ông nhấn mạnh: "Càng tìm thấy nhiều pulsar mili giây, chúng ta càng có cơ hội phát hiện những kết quả tiến hóa hiếm gặp. Hệ thống này là một ví dụ tuyệt vời."