Pourquoi les étoiles disparaissent-elles mystérieusement du ciel nocturne ?

Une impression technique du système binaire VTFS 243 Crédit : ESOL. Calzada CC PAR 4.0

Des astrophysiciens de l’Université de Copenhague contribuent à expliquer un phénomène mystérieux où les étoiles disparaissent soudainement du ciel nocturne. Leur étude d’un système d’étoiles binaires inhabituel a fourni des preuves convaincantes que des étoiles massives peuvent complètement s’effondrer et devenir des trous noirs sans explosion de supernova.

Un jour, l’étoile au centre de notre système solaire, le Soleil, commencera à s’étendre jusqu’à engloutir la Terre. Il deviendra alors de plus en plus instable jusqu’à ce qu’il finisse par se rétrécir en un petit corps dense appelé nain blanc.

Cependant, si le Soleil était environ huit fois plus massif ou plus, il exploserait probablement lors d’une explosion massive – sous la forme d’une supernova. Son effondrement provoquera une explosion, projetant de l’énergie et de la masse dans l’espace avec une force énorme, avant de laisser derrière lui une énorme masse d’énergie. Étoile à neutrons Ou un trou noir dans son sillage.

Bien qu’il s’agisse de connaissances de base sur la mort des étoiles massives, il reste encore beaucoup à comprendre sur le ciel étoilé et la mort spectaculaire de ces étoiles en particulier.

Le système d’étoiles binaires VFTS 243 est situé dans la galaxie naine « Grand Nuage de Magellan » à proximité de la Voie Lactée. Les Nuages ​​de Magellan sont des galaxies satellites de la Voie Lactée. Ces galaxies naines, qui gravitent autour du centre galactique, ne sont visibles que depuis l’hémisphère sud. Ici, ils peuvent être vus au-dessus des télescopes auxiliaires du Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire européen austral à Paranal, au Chili. Crédit : JC Muñoz/ESO

De nouvelles recherches menées par des astrophysiciens de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague fournissent la preuve la plus solide à ce jour que les étoiles très massives peuvent subir une furtivité et un secret bien plus grands que les supernovas. En fait, leurs recherches suggèrent qu’avec une masse suffisante, la gravité d’une étoile pourrait être si forte qu’aucune explosion ne se produirait lors de sa mort. Alternativement, l’étoile pourrait subir ce que l’on appelle un effondrement complet.

« Nous pensons que le noyau de l’étoile pourrait s’effondrer sous son propre poids, comme cela arrive aux étoiles massives dans la phase finale de leur vie. Mais au lieu que l’effondrement aboutisse à une explosion de supernova brillante qui éclipse sa galaxie, des étoiles ont une masse plus de huit fois supérieure. devraient exister. » Soleil, l’effondrement se poursuit jusqu’à ce que l’étoile devienne une étoile. Le trou noir», explique le premier auteur Alejandro Vigna-Gomez, qui était chercheur postdoctoral à l’Institut Niels Bohr au début de cette étude.

Faits et mythes : étoiles disparues

Dans les temps modernes, de nombreuses observations ont été faites sur Des étoiles qui disparaissent inexplicablement.

« Une enquête pour rien. » Dirigé par l’astrophysicien Chris Kochanek, il s’agit d’un exemple d’effort de recherche qui recherche activement les étoiles en voie de disparition et les explications de leur disparition.

Le lecteur curieux pourra également se plonger dans les descriptions historiques. Cela a souvent quelque chose à voir avec la disparition soudaine d’étoiles brillantes, ce qui est cohérent avec les scénarios de supernova. Mais il existe d’autres histoires sur les étoiles qui disparaissent soudainement, comme le mythe grec associé à l’amas d’étoiles des Pléiades, connu sous le nom de Sept Sœurs. Le mythe des Pléiades décrit les sept filles du géant Atlas et de la nymphe Pléioné. Selon la légende, l’une de leurs filles a épousé un humain et s’est cachée, ce qui fournit une explication très peu scientifique, mais belle, de la raison pour laquelle nous ne voyons que… Six étoiles dans les Pléiades.

Cette découverte est liée au phénomène de disparition des étoiles, qui a suscité l’intérêt des astronomes ces dernières années, et peut fournir un exemple clair et une explication scientifique raisonnable pour des phénomènes de ce type.

« Si l’on se tenait debout et regardait une étoile visible en train de s’effondrer complètement, cela pourrait, avec le temps, être comme regarder une étoile s’éteindre soudainement et disparaître du ciel. L’effondrement était si complet qu’aucune explosion ne se produisait, rien ne s’échappait et on verrait. pas de supernova Brillant dans le ciel nocturne Les astronomes ont déjà remarqué récemment la disparition soudaine d’étoiles brillantes. « Nous ne pouvons pas être sûrs d’un lien, mais les résultats que nous avons obtenus grâce à l’analyse de VFTS 243 nous ont rapprochés d’une explication fiable. » dit Alejandro Vigna-Gómez .

Une vue depuis le télescope spatial Webb de la nébuleuse de la Tarentule, où se trouve VTFS 243. Crédit image : NASA, ESA, CSA et STScI.

Un système stellaire inhabituel sans aucun signe d’explosion

Cette découverte a été motivée par l’observation récente d’un système d’étoiles binaires inhabituel à la limite de notre galaxie appelé VFTS 243. Ici, une étoile massive et un trou noir environ dix fois plus grand que notre Soleil tournent autour l’un de l’autre.

Les scientifiques savent que de tels systèmes stellaires binaires existent dans l’univers. Voie Lactée Pendant des décennies, une étoile s’est transformée en trou noir. Mais la récente découverte de VFTS 243, au-delà de la Voie lactée, dans le Grand Nuage de Magellan, est vraiment particulière.

Faits : les trous noirs

Même la lumière ne peut pas s’échapper des trous noirs. Ils ne peuvent donc pas être observés directement. Cependant, certains trous noirs sont reconnaissables en raison de la grande quantité d’énergie libérée par les gaz qui gravitent autour d’eux. D’autres, comme dans le cas de VFTS 243, peuvent être observés par leur influence sur les étoiles autour desquelles ils gravitent.

En général, les astronomes pensent qu’il existe trois types de trous noirs :

Les trous noirs stellaires – comme celui de VFTS 243 – se forment lorsque des étoiles d’une masse plus de huit fois supérieure à la masse du Soleil s’effondrent. Les scientifiques pensent qu’il pourrait y en avoir jusqu’à 100 millions dans notre seule galaxie.

On pense que des trous noirs supermassifs – 100 000 à 10 milliards de fois la masse du Soleil – existent au centre de presque toutes les galaxies. Sagittaire A* est le trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie, la Voie Lactée.

Les trous noirs de masse intermédiaire (IMBH) — 100 à 100 000 fois la masse de notre Soleil — sont depuis longtemps le chaînon manquant. Ces dernières années, un certain nombre de candidats crédibles ont émergé.

Il existe également des théories décrivant d’autres types de trous noirs, qui n’ont pas encore été découverts. L’un de ces trous, appelés trous noirs primordiaux, se serait formé au début de l’univers et pourrait théoriquement être microscopique.

« Normalement, les événements de supernova dans les systèmes stellaires peuvent être mesurés de différentes manières après qu’ils se soient produits. Mais malgré le fait que VFTS 243 contienne une étoile qui s’est effondrée dans un trou noir, aucune trace d’explosion n’a été trouvée nulle part. « L’orbite du système a à peine changé depuis que l’étoile s’est effondrée dans un trou noir », explique Alejandro Vigna-Gomez.

Les chercheurs ont analysé les données d’observation pour détecter un ensemble de signes que l’on pourrait attendre d’un système stellaire ayant connu une explosion de supernova dans le passé. En général, ils trouvent les preuves d’un tel événement simples et peu convaincantes.

Le système ne montre aucun signe d’un « coup de naissance » significatif, c’est-à-dire l’accélération des objets orbitaux. Elle est également très symétrique, presque parfaitement circulaire sur son orbite, et les signes résiduels de libération d’énergie lors de l’effondrement du noyau de l’étoile précédente indiquent un type d’énergie compatible avec un effondrement complet.

« Notre analyse indique sans ambiguïté que le trou noir de VFTS 243 s’est probablement formé instantanément, avec une perte d’énergie principalement due aux neutrinos », explique le professeur Irene Tambora de l’Institut Niels Bohr, qui a également participé à l’étude.

Un référentiel pour les études futures

Selon le professeur Tambora, VFTS 243 ouvre la possibilité de comparer une gamme de théories astrophysiques et de calculs de modèles avec des observations réelles. Elle s’attend à ce que le système stellaire soit important pour étudier l’évolution et l’effondrement des étoiles.

« Nos résultats mettent en évidence VFTS 243 comme le meilleur cas observable jusqu’à présent de la théorie des trous noirs stellaires formés par un effondrement complet, où l’explosion de supernova que nos modèles ont montrée échoue. Il s’agit d’un test important dans le monde réel pour ces modèles », « , déclare le professeur. « Nous nous attendons certainement à ce que « le système serve de référence essentielle pour les recherches futures sur l’évolution et l’effondrement des étoiles ».

Informations complémentaires : « coup de naissance » manquant et autres signes (manquants) d’une supernova

Le « coup de pied de naissance » n’est pas là

Les forces violentes de la supernova affectent directement les étoiles à neutrons nouveau-nées ou les trous noirs laissés derrière elles, en raison de l’émission asymétrique de matière lors de l’explosion. C’est ce que les chercheurs appellent le « coup de pied de naissance ». Ce coup de pied provoque une accélération du corps comprimé. Le coup de naissance donne généralement aux étoiles à neutrons une vitesse mesurable comprise entre 100 et 1 000 kilomètres par seconde. La vitesse devrait être plus faible pour les trous noirs, mais elle reste néanmoins significative.

Étant donné que le trou noir de VFTS 243 semble avoir accéléré jusqu’à environ 4 km/s, il ne montre aucun signe d’avoir reçu un coup de naissance majeur, comme on pourrait s’y attendre s’il avait subi une supernova.

De même, la symétrie de l’orbite d’un système stellaire montre généralement des signes indiquant qu’il a ressenti l’impact d’une violente explosion de supernova, en raison de l’éjection de matière qui se produit. Au lieu de cela, les chercheurs ont trouvé une symétrie.

« L’orbite du VFTS est presque circulaire et notre analyse indique qu’il n’y a aucun signe d’asymétrie significative lors de l’effondrement. Cela indique encore une fois qu’il n’y a pas eu d’explosion », explique Alejandro Vigna Gomez.

Explosion d’énergie

En analysant l’orbite du système stellaire binaire, l’équipe a également pu calculer la quantité de masse et d’énergie libérée lors de la formation du trou noir.

Leurs estimations correspondent à un scénario dans lequel le petit coup de pied survenu lors de l’effondrement stellaire n’était pas causé par la matière baryonique, qui comprend des neutrons et des protons, mais par ce qu’on appelle les neutrinos. Les neutrinos ont très peu de masse et interagissent très faiblement. C’est une autre indication que le système n’a pas subi d’explosion.

Référence : « Contraintes sur les neutrinos natals du trou noir binaire VFTS 243 » par Alejandro Vigna-Gomez, Reinhold Wilcox, Irene Tambora, Ilya Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Hans-Thomas Janka, Daniel Kress, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar et Thomas M. . Torres, 9 mai 2024, Lettres d’examen physique.
est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

Les chercheurs suivants ont contribué à la recherche :

Alejandro Vigna-Gomez, Irene Tambora, Hans Thomas Janka, Daniel Kress, Reinhold Wilcox, Elia Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar, Thomas M. Torres

Les chercheurs appartiennent à plusieurs institutions de recherche :

• Institut Niels Bohr, Université de Copenhague – Académie internationale et Dark
• Institut Max Planck d’astrophysique, Garching, Allemagne
• Institut d’Astronomie, Université de Louvain, Louvain, Belgique
• École de physique et d’astronomie, Université Monash, Clayton, Australie
• Centre d’excellence ARC pour la détection des ondes gravitationnelles, Osgraph, Australie
• Centre d’astrophysique computationnelle, Flatiron Institute, New York, États-Unis
• Observatoire Steward, Université de l’Arizona, Tucson, États-Unis
• Département d’Astronomie, Université de WashingtonSeattle, États-Unis
• Université technique de Munich, Faculté des sciences naturelles TUM, Département de physique, Garching, Allemagne
• Observatoire européen austral, Garching, Allemagne
• Faculté de physique et d’astronomie, Université de Tel Aviv, Tel Aviv, Israël
• Université d’Aalborg, Aalborg, Danemark