Toutes les étoiles que nous pouvons voir à l’œil nu font partie de la Voie Lactée. Le pouvoir gravitationnel de la masse combinée de la galaxie lie les étoiles à la galaxie. Mais parfois, les étoiles sont expulsées de la galaxie.
Ces étoiles sont appelées étoiles à hypervitesse, et certaines d’entre elles sont nées de puissantes interactions gravitationnelles dans des amas globulaires.
Les amas globulaires (GC) sont des groupements étroitement liés d’étoiles trouvées dans le halo extérieur de la Voie lactée. Ils peuvent contenir des millions d’étoiles plus anciennes et de plus faible métallicité que la population générale. Leurs origines ne sont pas claires, mais la Voie lactée (MW) contient au moins 150 amas globulaires et probablement beaucoup plus.
Leurs noyaux sont densément remplis d’étoiles, et l’environnement dense peut conduire à de puissantes interactions gravitationnelles. Ces interactions peuvent propulser des étoiles individuelles à des vitesses extrêmement élevées. Leurs vitesses élevées peuvent briser l’emprise gravitationnelle du MW sur eux et ils peuvent s’échapper dans l’espace intergalactique.
Les astronomes, armés de technologies d’observation de plus en plus puissantes, commencent à repérer davantage de ces étoiles et à remonter jusqu’à leurs origines. Mais ce qui se cache exactement derrière ces étoiles et leur nombre reste à déterminer. Une nouvelle étude a utilisé des observations et une modélisation pour déterminer la population d’étoiles en fuite dans le MW et leurs sources.
L’étude s’intitule “Etoiles en fuite et à hypervitesse issues de rencontres d’objets compacts dans des amas globulaires”. Les auteurs sont Tomas Cabrera et Carl L. Rodriguez, respectivement de l’Université Carnegie Mellon et de l’Université de Caroline du Nord. Le document n’a pas encore été évalué par des pairs.
La plupart des étoiles naissent dans des amas intégrés. Finalement, ces amas se dissipent et les étoiles, comme notre Soleil, orbitent autour du centre de la galaxie, liées par la puissante gravité de la Voie lactée. D’autres étoiles font partie d’amas ouverts ou d’amas globulaires. Lorsqu’une étoile s’échappe de son amas, les astronomes l’appellent une étoile en fuite. S’il voyage assez vite pour s’échapper de la Voie lactée, les astronomes l’appellent une étoile à hypervitesse (HVS).
Les astronomes ont repéré de nombreuses étoiles en fuite et à hypervitesse à l’aide de télescopes comme Hubble.
La définition classique d’un HVS provient d’un article publié dans Nature en 1988 par Jack Hills. À cette époque, les trous noirs supermassifs au centre des galaxies étaient théorisés mais non prouvés. Hills a expliqué que lorsqu’une étoile binaire interagissait avec un SMBH, le SMBH capturait l’une des étoiles et éjectait l’autre à grande vitesse. C’est ce qu’on appelle le «mécanisme des collines» et les astronomes pensent qu’il peut accélérer les étoiles jusqu’à des vitesses de 4 000 km par seconde. Naturellement, cela signifie que les HSV sont des preuves de SMBH et peuvent être utilisés pour sonder le centre de la Voie lactée, où réside la SMBH.
Les astronomes ont découvert le premier HSV en 2005, et il est originaire du centre galactique. Les astronomes ont découvert plus de HSV au fil des ans qui provenaient également du centre galactique et des interactions avec le SMBH. Mais ils ont également découvert des HSV qui ne provenaient pas du centre galactique. Deux mécanismes différents peuvent créer ces HSV : une étoile supernova binaire (BSS,) où une étoile explose et propulse sa compagne à grande vitesse, et des scénarios d’éjection dynamique (DES,) fortes interactions entre trois ou quatre objets stellaires. C’est là qu’interviennent les GC.
“Les amas globulaires (GC) sont des matrices candidates évidentes pour ces deux événements en raison de leur haute densité stellaire.
densités, mais le DES pourrait être exceptionnellement amplifié en raison de la présence de sous-systèmes BH dans les centres des GC », écrivent les auteurs. Ici, ils font allusion au fait que les astronomes ont trouvé des trous noirs de masse stellaire dans certains GC.
Dans leur article, les auteurs se concentrent sur les rencontres d’étoiles binaires et d’étoiles uniques avec des objets compacts (BSCO = Binary-Single Compact Object.) Les objets compacts sont des restes stellaires comme les naines blanches, les étoiles à neutrons ou les trous noirs. Ces objets exercent une puissante force gravitationnelle sur les étoiles qui s’éloignent trop près et peuvent les chasser du GC. Les explosions de supernova peuvent expliquer certaines étoiles en fuite et à hypervitesse, mais cette étude s’est concentrée uniquement sur les interactions gravitationnelles, qui sont beaucoup plus probables dans les GC en raison du regroupement serré des objets dans leurs noyaux.
“Nous étudions les éjectas stellaires à grande vitesse provenant des GC en utilisant des modèles Monte Carlo à N corps”, écrivent les auteurs. Les simulations de Monte Carlo sont largement utilisées en astronomie. Les astronomes les utilisent pour estimer les résultats possibles d’un événement dont les résultats ne sont pas certains. Les simulations à N corps sont également des outils courants en astronomie. Ils modélisent les interactions entre les corps et traitent chaque corps comme une particule.
La paire de chercheurs a fait correspondre les observations des GC de la Voie lactée avec des modèles à N corps pour proposer une population synthétique d’éjectas stellaires dans le MW. Ils ont découvert que les GC peuvent éjecter des étoiles à des vitesses plus élevées que prévu, jusqu’à 2 000 km par seconde. Avant ces résultats, les astronomes ne pensaient pas que les rencontres avec des étoiles seules pouvaient propulser des étoiles à des vitesses aussi élevées et que seul le mécanisme de Hills pouvait le faire.
Ces résultats montrent qu’il se passe plus de choses dans les GC que prévu et que les SMBH ne sont pas la seule chose qui peut propulser les étoiles à des vitesses d’échappement galactiques. Cela signifie probablement qu’il y a plus de HSV que prévu. Et puisque les astronomes ne peuvent pas déterminer les origines de tous les HSV, cela complique l’identification de leurs mécanismes d’éjection.
Les amas globulaires peuvent subir des effondrements de noyau, en particulier lorsqu’un trou noir de masse stellaire est présent. Ces effondrements peuvent rapprocher les objets les uns des autres, créant des interactions plus dynamiques qui peuvent propulser des étoiles individuelles hors du GC à des vitesses élevées.
Les GC se dissipent, se dilatent et perdent également de la masse avec le temps. À mesure que la densité de leurs cœurs diminue, il y a moins de rencontres d’objets compacts binaires uniques (BSCO) et moins de HSV éjectés. Il existe un lien entre les éjections de BSCO et l’âge du noyau du GC, où des rencontres rapprochées se produisent. Au fur et à mesure que le GC vieillit et perd de la masse, il éjecte moins d’étoiles. Ainsi, les modèles des chercheurs ont montré que la majorité des éjections, et les plus rapides, se produisaient au début de l’évolution d’un GC.
“Notre étude conclut que si le taux d’emballement du GC BSCO aurait pu représenter quelques 10 % du taux global au cours des premiers Gyr du MW, à l’heure actuelle, il n’est probablement plus que de quelques 1 % du même”, concluent les auteurs.
Dans certaines recherches récentes, les astronomes se sont fortement appuyés sur la vitesse pour montrer que les HVS doivent provenir du centre galactique en raison des interactions avec le SMBH. Mais cet article montre qu’il est peut-être temps de repenser. L’image n’est peut-être pas aussi claire que la pensée, et la vélocité n’est peut-être pas toujours le facteur primordial.
Il reste encore du travail à faire avant que les astronomes puissent démêler les HSV et leurs origines. Les modèles et les simulations sont des outils puissants et sont importants en astronomie. Mais les observations apportent toujours de la clarté, et une enquête plus complète sur les HSV dans la Voie lactée permettra sans doute de clarifier leurs origines.
Après que la mission Gaia de l’ESA a publié son deuxième ensemble de données en 2018, les astronomes ont trouvé 20 étoiles sur 7 millions qui sont assez rapides pour s’échapper de la Voie lactée. Gaia a publié son troisième ensemble de données en juin 2022, et il contient des données provenant de 1,8 milliard de sources différentes. Peut-être qu’il y a plus de HSV dans toutes ces données, et cela apportera plus de clarté.
Mais quelle que soit l’image finale, il semble que des amas globulaires éjectent toujours des étoiles hors de la galaxie.
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