Impression d’artiste d’une naine blanche en explosion. Crédit : Université de Tübingen
Lorsque des étoiles comme notre Soleil n’ont plus de combustible, elles se contractent pour former des naines blanches. Ces étoiles mortes peuvent parfois revenir à la vie lors d’une explosion très chaude et produire une boule de feu de rayons X. Une équipe de chercheurs de plusieurs instituts allemands, dont l’université de Tübingen, et dirigée par la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) a observé pour la première fois une telle explosion de rayons X.
“C’est en quelque sorte une heureuse coïncidence”, explique Ole König, de l’Institut d’astronomie de la FAU, dans l’observatoire du Dr Karl Remeis à Bamberg, qui a publié un article sur cette observation dans la célèbre revue Nature, avec le professeur Jörn Wilms et une équipe de chercheurs de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre, de l’Université de Tübingen, de l’Universitat Politécnica de Catalunya à Barcelone et de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam. “Ces flashs de rayons X ne durent que quelques heures et sont presque impossibles à prévoir, mais l’instrument d’observation doit être pointé directement sur l’explosion au moment exact”, explique l’astrophysicien.
“Ces soi-disant novae se produisent effectivement tout le temps, mais il est vraiment difficile de les détecter pendant les tout premiers instants où la plupart des émissions de rayons X sont produites.” – Dr. Victor Doroshenko
L’instrument dans ce cas est le télescope à rayons X eROSITA, qui est actuellement situé à un million et demi de kilomètres de la Terre et qui arpente le ciel à la recherche de rayons X mous depuis 2019. Le 7 juillet 2020, il a mesuré un fort rayonnement X dans une zone du ciel qui était complètement inaperçue quatre heures auparavant. Lorsque le télescope à rayons X a sondé la même position dans le ciel quatre heures plus tard, le rayonnement avait disparu. Il s’ensuit que le flash de rayons X qui avait auparavant complètement surexposé le centre du détecteur a dû durer moins de huit heures.
Des explosions de rayons X comme celle-ci ont été prédites par la recherche théorique il y a plus de 30 ans, mais n’ont jamais été observées directement jusqu’à présent. Ces boules de feu de rayons X se produisent à la surface d’étoiles qui, à l’origine, avaient une taille comparable à celle du Soleil avant d’épuiser la majeure partie de leur combustible, composé d’hydrogène puis d’hélium, au cœur de leur noyau. Ces cadavres stellaires rétrécissent jusqu’à ce qu’il reste des “naines blanches”, dont la taille est semblable à celle de la Terre mais dont la masse peut être similaire à celle de notre Soleil. “Une façon de se représenter ces proportions est de penser que le Soleil a la même taille qu’une pomme, ce qui signifie que la Terre aurait la même taille qu’une tête d’épingle orbitant autour de la pomme à une distance de 10 mètres”, explique Jörn Wilms.
Ces “novae” se produisent tout le temps, mais il est très difficile de les détecter au tout début, lorsque la plupart des émissions de rayons X sont produites”, ajoute Victor Doroshenko, de l’université de Tübingen. “Non seulement la courte durée d’un flash est un défi, mais aussi le fait que le spectre des rayons X émis est très doux. Les rayons X mous ne sont pas très énergétiques et sont facilement absorbés par le milieu interstellaire. Nous ne pouvons donc pas voir très loin dans cette bande, ce qui limite le nombre d’objets observables, qu’il s’agisse d’une nova ou d’une étoile ordinaire. Les télescopes sont normalement conçus pour être plus efficaces dans les rayons X plus durs où l’absorption est moins importante, et c’est exactement la raison pour laquelle ils manqueraient un événement comme celui-ci !” conclut Victor Doroshenko.
Les cadavres stellaires ressemblent à des pierres précieuses
D’autre part, si vous deviez réduire une pomme à la taille d’une tête d’épingle, cette minuscule particule conserverait le poids comparativement important de la pomme. “Une cuillère à café de matière provenant de l’intérieur d’une white dwarf easily has the same mass as a large truck,” Jörn Wilms continues. Since these burnt-out stars are mainly made up of oxygen and carbon, we can compare them to gigantic diamonds that are the same size as Earth floating around in space. These objects in the form of precious gems are so hot they glow white. However, the radiation is so weak that it is difficult to detect from Earth.
Unless the white dwarf is accompanied by a star that is still burning, that is, and when the enormous gravitational pull of the white dwarf draws hydrogen from the shell of the accompanying star. “In time, this hydrogen can collect to form a layer only a few meters thick on the surface of the white dwarf,” explains FAU astrophysicist Jörn Wilms. In this layer, the huge gravitational pull generates enormous pressure that is so great that it causes the star to reignite. In a chain reaction, it soon comes to a huge explosion during which the layer of hydrogen is blown off. The X-ray radiation of an explosion like this is what hit the detectors of eROSITA on July 7, 2020, producing an overexposed image.
Since these burnt-out stars are mainly made up of oxygen and carbon, we can compare them to gigantic diamonds that are the same size as Earth floating around in space.
“The physical origin of X-ray emission coming white dwarf atmospheres is relatively well understood, and we can model their spectra from first principles and in exquisite detail. Comparison of models with observations allows then to learn basic properties of these objects such as weight, size, or chemical composition” explains Dr. Valery Suleimanov from Tübingen University. “The problem in this particular case was, however, that, after 30 years with no photons we suddenly had too many, which distorted the spectral response of eROSITA, which was designed to detect millions of very faint objects rather than one but very bright” adds Victor Doroshenko.
“Using the model calculations, we originally drew up while supporting the development of the X-ray instrument, we were able to analyze the overexposed image in more detail during a complex process to gain a behind-the-scenes view of an explosion of a white dwarf, or nova,” explains Jörn Wilms.
According to the results, the white dwarf has around the mass of our Sun and is therefore relatively large. The explosion generated a fireball with a temperature of around 327,000 degrees K (588,000 degrees F), making it around sixty times hotter than the Sun. “These parameters were obtained by combining models of X-ray radiation with the models of radiation emitted by very hot white dwarfs created in Tübingen by Valery Suleimanov and Victor Doroshenko, and very deep analysis of instrument response in a regime far outside specifications carried out at FAU and MPE. I think it illustrates very nicely the importance of collaboration in modern science, and wide range of expertise within the German eROSITA consortium” adds Prof. Dr. Klaus Werner from Tübingen University.
Since these novae run out of fuel quite quickly, they cool rapidly and the X-ray radiation becomes weaker until it eventually becomes visible light, which reached Earth half a day after the eROSITA detection and was observed by optical telescopes.
“A seemingly bright star then appeared, which was actually the visible light from the explosion, and so bright that it could be seen on the night sky by the bare eye,” explains Ole König. Seemingly “new stars” such as this one have been observed in the past and were named “nova stella,” or “new star” on account of their unexpected appearance. Since these novae are only visible after the X-ray flash, it is very difficult to predict such outbreaks and it is mainly down to chance when they hit the X-ray detectors.
“We were really lucky,” says Ole König.
Reference: “X-ray detection of a nova in the fireball phase” by Ole König, Jörn Wilms, Riccardo Arcodia, Thomas Dauser, Konrad Dennerl, Victor Doroshenko, Frank Haberl, Steven Hämmerich, Christian Kirsch, Ingo Kreykenbohm, Maximilian Lorenz, Adam Malyali, Andrea Merloni, Arne Rau, Thomas Rauch, Gloria Sala, Axel Schwope, Valery Suleimanov, Philipp Weber and Klaus Werner, 11 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04635-y
