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Les étoiles doubles et multiples

Illustration d'une éruption 10000 fois plus puissante que sur le Soleil dans le système binaire DG CVn composé de deux étoiles naines rouges. Document NASA/S.Wiessinger.

AR Scorpii (II)

La binaire AR Scorpii est située à 378 années-lumière dans le Scorpion et est constitué de deux étoiles naines. L'étoile principale AR Scorpii est une naine blanche de classe spectrale F0 d'une taille voisine de celle la Terre mais 200000 fois plus massive. Son spectre présente des raies d'absorption indiquant que sa vitesse radiale varie comme une sinusoïde avec une période de 3.56 heures et une amplitude d'environ 295 km/s. La mécanique céleste nous permet d'en déduire que ces 3.56 heures correspondent à la période de révolution de l'étoile, qu'il s'agit donc d'un système binaire spectroscopique, la vitesse radiale fixant la limite de la masse inférieure de son compagnon à au moins 0.395 M. Ce compagnon n'est pas visible et ne laisse pas de trace dans les spectres. On peut donc déjà exclure la naine blanche et l'étoile à neutrons (et bien sûr le trou noir), les deux seuls objets pouvant présenter un dipôle magnétique et un spin (moment cinétique) suffisamment rapide pour expliquer les pulsations. Selon les modèles, on a finalement déduit que ce compagnon devait être une petite naine rouge et froide de classe M5, toutes deux tournant autour de leur barycentre commun.

AR Scorpii a la particularité de subir des fluctuations de lumière inexpliquées d'abord estimées inférieures à 0.5 j puis réévaluées à quelques minutes qui l'ont classées par erreur parmi les étoiles variables de type δ Scuti. Ainsi, toutes les minutes, le flux optique de l'étoile AR Scorpii augmente d'un facteur 4 en moins de 30 secondes et d'un facteur 20 en optique, passant de la magnitude apparente 16.9 à 13.6 au moment du pic qui s'étend jusqu'aux fréquences radios. Les pulsations atteignent 95% de leur puissance en UVE et encore 10% à 9 GHz ! En revanche, cette étoile n'émet pas de pulses rayons X. Sa luminosité X représente 4.9x1023 W soit 4% de sa brillance optique. Par comparaison, une étoile à neutrons accrétante présente une luminosité X généralement 100 fois supérieure à sa luminosité optique.

A voir : Le système binaire exotique AR Scorpii

Illustration du couple AR Scorpii et de la surbillance soudaine de l'étoile naine rouge (à droite) lors de l'impact périodique du faisceau corpusculaire et électromagnétique émanant de l'étoile naine blanche. Documents ESO/L.Calçada/U.Warwick.

On peut pratiquement dire que depuis 1924, on ignorait pourquoi cette étoile fluctuait et surtout si rapidement dans un spectre aussi large. Depuis les années 1970, les observations ci-dessus suggéraient que bien que spécifiques, AR Scorpii  était dans une phase évolutive d'une classe d'étoiles appelée les "polaires intermédiaires" ou IPs qui sont des naines blanches magnétisées en rotation accrétant de la matière d'un compagnon de faible masse avec lequel elles forment un couple serré. Ces étoiles accrétantes présentent donc un disque d'accrétion. Parmi les représentants de ces étoiles "IP", citons AE Aquarii et FO Aquarii qui présentent toutes les deux certaines émissions comparables à celles de AR Scorpii mais qui s'en différencient par le rythme des pulsations et bien sûr par le disque d'accrétion.

Dans une étude publiée en 2016 par l'astrophysicien Tom Marsh de l'Université de Warwick et son équipe et dont l'ESO notamment s'est fait l'écho, grâce à l'installation radioastronomique interférométrique australienne ATCA et les observations visuelles des astronomes amateurs, les astrophysiciens ont finalement compris la nature de cette fluctuation qui n'a rien à voir avec une variabilité intrinsèque.

En fait, comme l'illustrent l'animation et les dessins ci-dessus, le plus troublant est que la naine blanche est entourée d'un puissant champ magnétique en rotation rapide qui génère un rayonnement synchrotron en accélérant les électrons au point qu'ils atteignent une vitesse proche de celle de la lumière. Ces particules de haute énergie s'évadent à travers les lignes ouvertes du champ magnétique en libérant un rayonnement semblable à celui d'un pulsar qui vient périodiquement frapper la surface de la naine rouge où il interagit avec son champ magnétique propre, entraînant une variation lumineuse de sa surface. Ainsi toutes les 1.97 minutes le système binaire entre dans un spectaculaire régime de pulsations comprenant des ondes lumineuses et des ondes radios, ces dernières n'ayant jamais été détectées au sein d’un système abritant une naine blanche.

Les étoile doubles symbiotiques

Le ciel renferme également quelque 150 étoiles doubles symbiotiques[1]. On qualifie de symbiotique une interaction entre des étoiles. C'est typiquement un transfert de matière. Ces couples stellaires très rares renferment une étoile géante rouge et froide (~3000 K) et une petite étoile dense et chaude (>20000 K). Pour des raisons qui demeurent encore mystérieuses, l'étoile géante perd son atmosphère au profit de l'étoile naine. Cette perte de matière engendre un vent stellaire (un flux de gaz) qui s'enroule autour de l'étoile naine en formant un disque d'accrétion porté à 100000 K, émettant quelquefois un jet de plasma bipolaire.

Selon le taux d'émission, il existe deux phases : la phase calme et la phase active. Au début, le couple se trouve dans une phase d'équilibre au cours de laquelle l'étoile géante perd de l'énergie de manière plus ou moins continue sur une grande partie du spectre. Lorsque cet phase d'équilibre est perturbée, le couple entre dans une phase active en affichant de grandes variations d'énergie et de luminosité qui atteignent plusieurs magnitudes, l'étoile pouvant devenir jusqu'à 750 fois plus brillante que la normale.

Certaines étoiles symbiotiques émettent également des jets collimatés, le plus souvent bipolaires qui s'étendent à partir des pôles de l'étoile naine. Ils sont généralement émis pendant la phase active ou lors d'éruptions. Ces émissions se dissipent ensuite.

A voir : A Quick Look at R Aquarii, Chandra

R Aquarii (illustration de l'explosion en SN Ia), ESO

A gauche et au centre, deux images du système binaire symbiotique R Aquarii. A gauche, une photo composite prise en optique par Adam Block (rouge) et en rayons X par le satellite Chandra (bleu) qui révèle l'émission d'un puissant jet bipolaire éjecté dans les années 1950 et 1980 et d'un anneau de matière qui suivit l'éruption de 1770. Document A.Block,NASA/CXC. Au centre, une image composite en haute résolution prise par le Télescope Spatial Hubble et traitée par Judy Schmidt. A droite, la nébuleuse He2-104 du crabe australe qui est également le résultat de l'activité cataclysmique d'une étoile binaire symbiotique. Document NASA/ESA/STScI, R.Corradi/IAC.

L'une de ces étranges binaires symbiotiques est R Aquarii (R Aqr) présenté ci-dessous qui fit l'objet d'une étude détaillée en 2012 par l'équipe de A.Mayer de l'Université de Vienne et qui est suivie depuis le début des années 2000 par le satellite rayons X Chandra.

R Aquarii se situe à environ 710 années-lumière et sa magnitude fluctue par intermittence. Ses sursauts d'éclats furent observés pour la première fois au XIe siècle. La nébuleuse qu'on observe aujourd'hui est le résultat de plusieurs éruptions majeures.

Comme on le voit sur le schéma présenté ci-dessous à gauche, (1) ce système comprend une géante rouge variable de type Mira de magnitude 5.8-12.4 dont l'éclat varie sur une période de 80 à 1000 jours. Cette étoile présente une classe spectrale M5-M8 et une température effective de 2800 K. Son compagnon est une étoile naine blanche d'une température effective de 20000 K. Leur séparation angulaire est de 55 mas et la période orbitale est de 44 ans.

Schéma des éruptions de R Aqur et He2-104. Document NASA/ESA.

(2) L'étoile géante perd les couches supérieures de son atmosphère sous forme d'un vent stellaire au profit de l'étoile naine qui contraint ce gaz à évoluer dans le plan équatorial. Elle accrète également une partie de ce gaz qui forme un disque d'accrétion très lumineux en UV ou rayons X parfois accompagné d'un jet bipolaire.

(3) Lorsque l'étoile naine a accumulé suffisamment de gaz, cela déclenche une explosion superficielle et elle devient une nova. Le gaz est éjecté à grande vitesse dans l'espace et forme une bulle souvent bipolaire s'étendant de part et d'autre du plan équatorial du disque. De nos jours, le système est entouré d'un premier anneau de matière (mais qui n'est pas visible sur les photos ci-dessus) qui est la trace d'une ancienne éruption de type nova qui se serait produite en l'an 1073.

 (4) Quelques milliers d'années après l'éjection de la bulle de gaz, l'étoile naine est entrée dans un nouveau cycle s'accrétion et d'éruption et produisit une nouvelle bulle de gaz qui forma la structure rouge en diabolo ou en sablier qu'on observe au centre. Lors des phases actives, la surface de l'étoile naine produit des réactions de fusion thermonucléaire en chaîne au cours desquelles elle devient 250 fois plus brillante. Ensuite, le cycle recommence tant que l'étoile naine est alimentée par l'étoile géante.

Selon l'équipe de Chandra, les astronomes coréens ont mentionné cette explosion dans leurs annales et des traces isotopiques datant de cette époque furent découvertes dans la glace en Antarctique. Ensuite, un second anneau deux fois plus petit s'est formé au début des années 1770, celui qu'on aperçoit aujourd'hui en rouge.

Les observations effectuées avec Chandra ont révélé la présence d'un jet émis par l'étoile naine et de deux nuages brillants qui se déplacent respectivement à environ 622 et 944 km/s. Compte tenu de leur vitesse, ces nuages de gaz furent émis dans les années 1950 et 1980 et n'ont pas été aussi brillants que l'éruption de la nova de 1073. Il est possible que R Aqr soit une nova récurrente. Si les évènements de 1073 et de 1773 se répètent, la prochaine explosion de la nova ne devrait pas se produire avant l'an 2470.

Notons qu'on observe le même phénomène dans la nébuleuse He2-104 appelée la "nébuleuse du crabe australe" dont le système symbiotique éjecta également une bulle de gaz en forme de sablier (voir plus haut).

On connaît encore très peu de choses sur les étoiles symbiotiques. Leur étude permet de mieux connaître l'évolution stellaire en déterminant l'âge des composantes car nul ne sait encore à quelle étape de leur évolution ces couples stellaires s'engagent dans ce processus. Elles permettent également d'étudier le vent stellaire, la nébuleuse ionisée, le phénomène d'accrétion et la formation du jet bipolaire dont le mécanisme de formation pourrait être similaire à celui qu'on retrouve dans les AGNs (qui sont alimentés par un trou noir supermassif).

Parmi les autres étoiles de ce type citons Z Andromedae, V1016 Cygni, AG Draco et HM Sagittae.

Les binaires LMXB

Un autre exemple très particulier est le système 47 Tucanae X9 situé dans l'amas globulaire 47 Tucana à 14800 a.l. D'abord catalogué comme variable cataclysmique, des observations au télescope X et au radiotélescope australien ATCA par l'équipe de J.C.A. Miller-Jones ont permis de découvrir en 2015 qu'il s'agit en fait d'une étoile binaire X de faible masse (LMXB) qui subit des sursauts d'éclats accompagnés d'émissions radios et X. A l'époque, les chercheurs soupçonnaient l'existence d'un compagnon compact pouvant être un trou noir autour duquel orbite l'étoile naine avec une période de 25 minutes.

Puis en 2017, grâce aux télescopes Chandra et NuSTAR et au réseau radioastronomique ATCA, l'astrophysicien Arash Bahramian de l'Université d'état du Michigan et son équipe ont pu cartographier le système et découvert la contrepartie de l'étoile naine X9; il s'agit vraisemblablement d'un trou noir stellaire accrétant l'atmosphère de l'étoile naine.

A voir : A Tour of X9 in 47 Tucanae

NICER Finds X-ray Pulsar in Record-fast Orbit (IGR J17062-6143)

A gauche, lorsqu'une étoile à neutrons fait partie d'un système binaire serré, elle finit par s'entourer d'un disque d'accrétion qui transforme l'étoile en nova X. A droite, la binaire X 47 Tuc X9. Document NASA et NASA/CXC/M.Weiss.

Le flux de rayonnement X fluctue avec une période d'environ 28 minutes. De plus, les données X indiquent une forte émission d'oxygène, typique d'une étoile naine. On en déduit que l'étoile naine gravite à environ 1 million de kilomètres du trou noir soit 2.5 fois la distance Terre-Lune, c'est un record de proximité. Elle effectue une révolution en 28.18 ±0.02 minutes autour de l'objet compact. Sa vitesse orbitale atteint 3300 km/s soit 12 millions de km/h, 1% de la vitesse de la lumière ! Cette étoile détient donc le record de la révolution orbitale la plus rapide découverte à ce jour. Si l'étoile continue à perdre sa masse, elle se transformera soit en un petit corps pas plus grand qu'une planète, inerte et totalement stérile soit elle va complètement s'évaporer.

Notons pour être complet que selon une autre hypothèse, le compagnon massif serait une étoile à neutrons qui pourrait transiter vers le stade pulsar milliseconde mais les effets observés dont l'absence de variabilité extrême aux fréquences radios et X suggèrent qu'il s'agit plutôt d'un trou noir.

Coïncidence ou pas, l'avenir le dira, le second système le plus rapide est également une LMXB cataloguée IGR J17062-6143. Elle fut découverte en 2006 dans le Sagittaire à environ 23800 années-lumière. Le système comprend une naine blanche d'à peine 0.015 M et d'un pulsar X de 1.4 M et milliseconde présentant des pulsations à 163.656 Hz, ce qui correspond à 163 rotations/seconde ou une période de 6 ms (que d'autres études portent à ~8 ms).

Les deux étoiles accomplissent une révolution autour de leur barycentre commun en moins de 38 minutes à une distance de seulement 300000 km soit inférieure à la distance Terre-Lune (384400 km en moyenne). Le barycentre se situe à seulement 3000 km du pulsar. Autrement dit, l'étoile naine ne bouge pratiquement pas sur son orbite.

Une étude publiée en 2018 dans les "MNRAS" par J.van den Eijden de l'Université d'Amsterdam et ses collègues a montré que le système présente un disque d'accrétion qui est tronqué à 164 km de distance et probablement très incliné dans la ligne de visée.

Enfin, rappelons que l'étoile variable RW Aurigae qui est au stade T Tauri forme également un système binaire LMXB. On y reviendra à propos des disques de poussière protoplanétaires car ce système est particulièrement actif.

Les binaires gamma

Enfin, parmi les systèmes binaires les plus exotiques, il existe quelques binaires gamma. Il s'agirait d'étoiles à neutrons ou de trous noirs stellaires émettant d'intenses rayons gamma, le rayonnement le plus puissant existant. Le niveau d'énergie varie entre 0.1-100 GeV mais peut dépasser 100 GeV comme l'a confirmé Guillaume Dubus du CNRS dans un article sur les binaires gamma publié en 2013.

A ce jour, grâce au télescope multispectral Swift et le télescope gamma Fermi de la NASA, les astronomes n'ont découvert que 5 binaires gamma dans la Voie Lactée dont 1 ou 2 microquasars, 1 binaire massive (Eta Carinae) et trois novae auxquelles il faut ajouter quelques pulsars binaires millisecondes. Une seule binaire gamma réside au-delà de la Voie Lactée, LMC P3 découverte en 2012 dans le Grand Nuage de Magellan à 163000 années-lumière du Soleil et illustrée ci-dessous.

A voir : LMC P3 - NASA’s Fermi Finds Record-breaking Binary Star

A gauche, localisation de LMC P3 (dans le cercle) dans le résidu de supernva DEM L241 situé dans le Grand Nuage de Magellan à 163000 a.l. La photo a été prise en lumière blanche. La région bleue cache également une forte émission X émise par l'astre compact brillant. A droite, illustration artistique du système. Documents NASA/CXC et T.Lombry.

LMC P3 est la binaire gamma la plus lumineuse, surpassant sensiblement les binaires gamma de la Voie Lactée dans les bandes gamma, rayons X, radios et en lumière blanche. Cette étoile binaire se trouve dans le résidu de supernova DEM L241 déjà connu comme émetteur X binaire massif (HMXB sous la référence CXOU J053600.0–673507). La source gamma gravite en 10.3 jours autour d'une étoile bleue massive de 25-40 M de classe spectrale O5III.

Sur base des observations optiques réalisées par Swift, il est difficile de connaître la nature de la source gamma. Sur base de ses données orbitales et en tenant compte de l'inclinaison du système par rapport à la ligne de visée (on observe le système selon un plan incliné) il s'agit soit d'une étoile à neutrons de 2 M soit d'un trou noir stellaire, tous deux résultant de l'effondrement d'une étoile massive. Sa température effective dépasse 33000 K et l'astre est tellement lumineux sur le plan énergétique que la pression de radiation de sa lumière arrache la matière de sa surface, créant un flot de particules dont la vitesse des vents atteint plusieurs centaines de km/s (plusieurs millions de km/h).

Ce flot de particules chargées émet également des rayons gamma. Ce phénomène se produit quand les photons de la lumière de l'étoile entrent en collision avec les électrons de haute énergie et sont diffusés. Sous l'impact, leur énergie augmente jusqu'au niveau de l'énergie gamma. Appelé la diffusion Compton inverse, ce processus produit plus de rayonnement gamma lorsque le compagnon massif passe tout près de l'étoile bleue. Vu de la Terre, cela se produit lorsque l'astre compact se situe derrière l'étoile bleue.

La découverte d'une binaire gamma aussi brillante hors de la Galaxie suggère que la Voie Lactée contient bien plus de binaires gamma que prévu. On reviendra sur l'effet possible des rayons gamma sur la biosphère à propos des supernovae.

Ceci résume en quelques pages la diversité des étoiles. Il s'agit effectivement d'un univers très riche, bien insolite, regroupant une population très disparate d'étoiles mais qui obéissent malgré tout à des lois rigoureuses que l'on peut appliquer à chacune d'entre elles, qu'elles soient petites et dégénérées ou supergéantes et brûlant de vivre l'espace de leur vingt ans.

L'étoile de Plaskett, HR 2422 Mon

L'étoile double la plus massive découverte à ce jour est la célèbre étoile de Plaskett, dans la constellation de la Licorne (Monoceros). L'étoile fut baptisée ainsi en honneur de l'astronome canadien John Stanley Plaskett qui découvrit sa nature binaire en 1922. Elle est également cataloguée sous les numéros HD 47129 et HR 2422.

Champ de 5° autour de l'étoile Plaskett et de la nébuleuse de la Rosette NGC 2237-9 tel qu'il apparaît dans une paire de jumelles 10x50. En réalité la nébuleuse est à peine visible et seul apparaît l'amas ouvert. Passer la souris sur l'image pour afficher les légendes. Voici le champ de 10°.

L'étoile de couleur bleutée se situe à un peu plus de 10° à l'est de Bételgeuse. Comme on le voit à droite, elle brille à la magnitude 6.05 au sud-est de 13 Monocerotis et au nord-est de la nébuleuse de la Rosette, NGC 2237-9 (à peine discernable visuellement) et de l'amas ouvert NGC 2244 situé devant elle.

On peut littéralement dire que ce système fait le poids. Le système binaire est constitué de deux étoiles supergéantes bleues de classe spectre O8I (A) et O7.5III (B). L'étoile primaire présente une température effective d'environ 33500 K et son compagnon B d'environ 33000 K.

On a longtemps pensé que ce système appartenait à l'association Monoceros OB2 constituée d'étoiles géantes des classes O et B située à 4900 années-lumière. Mais le couple est plus distant et leurs paramètres ont dû être revus à la hausse. Après la publications de divers résultats par O.Struve (1948), Cowley (1976),G.Bagnuolo Jr. et al. (1992), D.Stickland et al. (1997) et G.Bagnuolo Jr et al. (1999), les astronomes ont fini par obtenir des données satisfaisantes.

Selon les dernières mesures établies par spectroscopie optique réalisées entre 2002-2007 (publication en 2013) par Natacha Linder de l'Université de Liège et son équipe, l'étoile de Plaskett se situe à environ 5245 années-lumière. L'étoile primaire présenterait une masse de 54 M, une luminosité de 224000 L et un rayon de 14.2 R. Son compagnon B ferait 56 M, sa luminosité serait de 123000 L et son rayon de 10.8 R. Le couple étant dans une étreinte tellement serrée, les deux étoiles tournoyent autour de leur barycentre commun en 14.4 jours.

En raison de cette dynamique particulière, le couple est en interaction, éjectant des vents stellaires violents qui entrent mutuellement en collision de manière spectaculaire. Depuis sa formation, l'étoile A qui "pesait" 65 M sur la Séquence principale a déjà perdu 9 M dans ses échanges. De plus, l'étoile primaire présente une vitesse de rotation équatoriale estimée à 75 km/s et qui atteint 300 km/s pour le compagnon B soit 150 fois plus rapide que le Soleil !

Ces effets combinés impliquent que le couple est entouré par une coquille de gaz qui représente plusieurs masses solaires. Connaissant le destin funeste des étoiles massives et sachant que ce couple ne vivra pas plus de 3 à 6 millions d'années, il ne fait aucun doute que ses derniers jours sont comptés (quelques jours ou quelques dizaines de milliers d'années tout au plus) et seront de plus en plus violents. L'étoile de Plaskett va devenir une supernova, le noyau résiduel se transformant soit en étoile à neutrons soit en trou noir. Gardez donc un oeil sur la Licorne car du jour au lendemain Plaskett peut devenir l'étoile la plus brillante du ciel !

Pour plus d'informations

Sur ce site

Une façon de vivre propre aux étoiles

La diversité des étoiles

Les étoiles les plus brillantes et les plus proches

Sur le web

ASAS-SN (All-Sky Automated Survey for Supernovae)

Catalogue des Etoiles Doubles de Washington

Web simulations (applet Java), Yervant Terzian et Terry Herter, U.Cornell

Simulateur d'étoiles doubles, Johannes Schedler (applet Java)

Evolution stellaire, Nicolas Aunai (NicoAstro)

L'évolution des étoiles, Imago Mundi

Nucléosynthèse et évolution stellaire, Vulgum.org

Modélisation de l’émission haute énergie des pulsars (PDF), Jérôme Pétri, OAS, 2009

L'évolution stellaire (PDF, aperçu pour DEA), Tristan Guillot

Théorie des supernovae, Alain Bouquet, Collège de France/IN2P3

L'évolution des étoiles et des galaxies, Gilles Adam

Jets and Outflows in Compact Stellar Binaries (PDF), NRAO, 2012

Simulateurs

Astrophysique nucléaire et plasmas stellaires, Service d'Astrophysique du CEA

Eclipsing Binary Simulation, Terry Herter (applet Java)

StarLight Pro, Dan Bruton (simulateur de binaire à éclipse, 260 KB)

StarClock, simulateur de l'évolution stellaire, un programme de Leos Ondra

The Electronic Universe (Lectures), James M. Imamura

Livres

Astronomie, Astrophysique, Agnès Acker, Dunod, 2005/2013

Ce que disent les étoiles, Danielle Briot et Noël Robichon, Belin/Pour la Science, 2013

Etoiles et matière interstellaire, James Lequeux, Agnès Acker et al., Ellipses Marketing, 2009

Etoiles et galaxies, N.Audard et al., Hachette, 2004

Naissance, vie et mort des étoiles, T.Montmerle et N.Prantzos, PUF-Que sais-je ?, 330, 1998

L'observation des étoiles doubles visuelles, Paul Couteau, Flammarion, 1978/1992

Vie et mort des étoiles, Collectif, Pour la science/Belin, 1977/1988

An Introduction to the Theory of Stellar Structure and Evolution, Dina Prialnik, Cambridge University Press, 2000/2009

The Hundred Greatest Stars, James B. Kaler, Springer, 2002

Burnham's Celestial Handbook (3 Vol.) R. Burnham et H.Luft, Dover Publications, 1978/1979

Dans la bibliothèque de LUXORION (rubrique Astronomie).

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[1] Pour en savoir plus sur les étoiles symbiotiques, consultez les études de Joanna Mikołajewska (2002) du Centre Astronomique Nicolaus Copernic, celle de Jennifer L.Sokoloski (2004) du CfA d'Harvard-Smithsonian et l'étude de leurs courbes lumineuses par Augustin Skopal (2008).


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