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."
