Impression d’artiste d’un système binaire composé d’une naine blanche (avant-plan) et d’un pulsar milliseconde (arrière-plan) en évolution. En utilisant le télescope SOAR de 4,1 mètres sur le Cerro Pachón au Chili, qui fait partie de l’Observatoire interaméricain Cerro Tololo, un programme du NOIRLab de la NSF, les astronomes ont découvert le premier exemple d’un système binaire composé d’une naine blanche en évolution orbitant autour d’un pulsar milliseconde, dans lequel le pulsar milliseconde est dans la phase finale du processus de rotation. La source, initialement détectée par le télescope spatial Fermi, est un “chaînon manquant” dans l’évolution de tels systèmes binaires. Crédit : NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine Remerciements : M. Zamani (NOIRLab de la NSF)
Étudié par le télescope SOAR exploité par NOIRLab, le système binaire est le premier à être trouvé à l’avant-dernier stade de son évolution.
En utilisant le télescope SOAR de 4,1 mètres au Chili, les astronomes ont découvert le premier exemple de système binaire dans lequel une étoile en train de devenir une étoile de la famille de l’hydrogène est en train de se transformer en une étoile de la famille de l’hydrogène. naine blanche est en orbite autour d’une étoile étoile à neutrons qui vient juste de se transformer en une étoile à neutrons en rotation rapide pulsar. La paire, détectée à l’origine par le télescope spatial à rayons gamma Fermi, est un “chaînon manquant” dans l’évolution de tels systèmes binaires.
Une source mystérieuse et brillante de rayons gamma s’est avérée être une étoile à neutrons tournant rapidement – surnommée pulsar milliseconde – en orbite autour d’une étoile en train de se transformer en naine blanche de masse extrêmement faible. Les astronomes appellent ces types de systèmes binaires des “araignées”, car le pulsar a tendance à “manger” les parties extérieures de l’étoile compagnon lorsqu’elle se transforme en naine blanche.
Le duo a été détecté par des astronomes utilisant le télescope SOAR de 4,1 mètres sur le Cerro Pachón au Chili, qui fait partie de l’Observatoire interaméricain Cerro Tololo (CTIO), un programme du NOIRLab de la NSF.
NASADepuis son lancement en 2008, le télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA répertorie les objets de l’Univers qui produisent d’abondants rayons gamma, mais toutes les sources de rayons gamma qu’il détecte n’ont pas été classées. L’une de ces sources, appelée 4FGL J1120.0-2204 par les astronomes, était la deuxième source de rayons gamma la plus brillante de tout le ciel et n’avait pas été identifiée jusqu’à présent.
Des astronomes des États-Unis et du Canada, dirigés par Samuel Swihart du Laboratoire de recherche navale des États-Unis à Washington, D.C., ont utilisé le spectrographe Goodman du télescope SOAR pour déterminer la véritable identité de 4FGL J1120.0-2204. La source de rayons gamma, qui émet également des rayons X, telle qu’observée par les télescopes spatiaux Swift de la NASA et XMM-Newton de l’ESA, s’est révélée être un système binaire composé d’un “pulsar milliseconde” qui tourne des centaines de fois par seconde, et du précurseur d’une naine blanche de masse extrêmement faible. La paire est située à plus de 2600 années-lumière.
“Le temps consacré par l’Université de l’État du Michigan au télescope SOAR, son emplacement dans l’hémisphère sud, ainsi que la précision et la stabilité du spectrographe Goodman, sont autant d’aspects importants de cette découverte”, explique M. Swihart.
“C’est un excellent exemple de la façon dont les télescopes de taille moyenne en général, et le SOAR en particulier, peuvent être utilisés pour aider à caractériser des découvertes inhabituelles faites avec d’autres installations terrestres et spatiales”, note Chris Davis, directeur du programme NOIRLab à la US National Science Foundation. “Nous prévoyons que SOAR jouera un rôle crucial dans le suivi de nombreuses autres sources variables dans le temps et multi-messagers au cours de la prochaine décennie.”
Le spectre optique du système binaire mesuré par le spectrographe Goodman a montré que la lumière du compagnon proto-naine blanche est décalée par effet Doppler – alternativement décalée vers le rouge et le bleu – indiquant qu’il tourne autour d’une étoile à neutrons compacte et massive toutes les 15 heures.
“Les spectres nous ont également permis de contraindre la température approximative et la gravité de surface de l’étoile compagnon”, explique Swihart, dont l’équipe a pu prendre ces propriétés et les appliquer aux modèles décrivant l’évolution des systèmes d’étoiles binaires. Cela leur a permis de déterminer que le compagnon est le précurseur d’une naine blanche de très faible masse, avec une température de surface de 8200 °C (15 000 °F) et une masse de seulement 17 % de celle du Soleil.
Lorsqu’une étoile d’une masse égale ou inférieure à celle du Soleil arrive à la fin de sa vie, elle n’a plus d’hydrogène pour alimenter les processus de fusion nucléaire dans son cœur. Pendant un certain temps, l’hélium prend le relais et alimente l’étoile, ce qui provoque sa contraction et son réchauffement, et incite à l’utilisation de l’énergie solaire.son expansion et son évolution en une géante rouge de plusieurs centaines de millions de kilomètres de diamètre. Finalement, les couches externes de cette étoile gonflée peuvent être accrétées sur un compagnon binaire et la fusion nucléaire s’arrête, laissant derrière elle une naine blanche de la taille de la Terre et grésillant à des températures dépassant 100 000 °C (180 000 °F).
La proto-naine blanche du système 4FGL J1120.0-2204 n’a pas encore fini d’évoluer. “Actuellement, elle est gonflée et son rayon est environ cinq fois plus grand que celui des naines blanches normales de masse similaire”, explique Swihart. “Il va continuer à se refroidir et à se contracter et, dans environ deux milliards d’années, il aura un aspect identique à de nombreuses naines blanches de masse extrêmement faible que nous connaissons déjà.”
Les pulsars millisecondes tournent des centaines de fois par seconde. Ils sont mis en rotation en accrétant de la matière provenant d’un compagnon, dans ce cas de l’étoile qui est devenue la naine blanche. La plupart des pulsars millisecondes émettent des rayons gamma et des rayons X, souvent lorsque le vent du pulsar, qui est un flux de particules chargées émanant de l’étoile à neutrons en rotation, entre en collision avec la matière émise par une étoile compagnon.
Environ 80 naines blanches de masse extrêmement faible sont connues, mais “c’est le premier précurseur d’une naine blanche de masse extrêmement faible trouvé qui est probablement en orbite autour d’une étoile à neutrons”, dit Swihart. Par conséquent, 4FGL J1120.0-2204 offre un regard unique sur la fin de ce processus de rotation. Toutes les autres binaires naine blanche-pulsar qui ont été découvertes ont largement dépassé le stade de l’essorage.
“Une spectroscopie de suivi avec le télescope SOAR, ciblant des sources de rayons gamma Fermi non associées, nous a permis de voir que le compagnon était en orbite autour de quelque chose”, explique Swihart. “Sans ces observations, nous n’aurions pas pu trouver ce système passionnant”.
Référence : “4FGL J1120.0-2204 : A Unique Gamma-ray Binary Neutron Star Binary with an Extremely Low Mass Proto-White Dwarf” par Samuel J. Swihart, Jay Strader, Elias Aydi, Laura Chomiuk, Kristen C. Dage, Adam Kawash, Kirill V. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Accepté, The Astrophysical Journal.
arXiv:2201.03589
L’équipe est composée de Samuel J. Swihart (associé de recherche du Conseil national de la recherche, Académie nationale des sciences et US Naval Research Laboratory, Washington, DC), Jay Strader (Center for Data Intensive and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Elias Aydi (Department of Physics, McGill University, Canada), Laura Chomiuk (McGill Space Institute, McGill University, Canada), Kristen C. Dage (Institut spatial McGill et Département de physique, Université McGill, Canada), Adam Kawash (Center for Data Intensive and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Kirill V. Sokolovsky (Center for Data Intensive and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University) et Elizabeth C. Ferrara (Department of Astronomy at the University of Maryland, and Center for Exploration and Space Studies (CRESST) at NASA Goddard Space Flight Center).
