mercredi 7 juin 2017

Hubble mesure pour la première fois la masse d'une étoile par un effet relativiste


Le télescope Hubble est à nouveau à l'origine d'une petite prouesse scientifique : mesurer l'effet de déflexion gravitationnelle produit par une seule étoile, le même type de mesure qui permit à Arthur Eddington il y a près d'un siècle de confirmer la théorie de la Relativité Générale d'Einstein. Cette mesure de Hubble permet de mesurer directement la masse d'une étoile proche (une naine blanche) en appliquant les équations de la Relativité Générale.




Ce n'est pas la première fois que Hubble permet d'observer le phénomène de lentille gravitationnelle, mais jusqu'alors, il s'agissait de lentilles de la taille de galaxies ou d'amas de galaxies. C'est en revanche la première fois que la courbure des trajets lumineux induite par la masse présente dans l'espace-temps est vue par Hubble sur une étoile unique. La déflexion produite par une étoile si peu massive est si faible (2 milliarcsecondes) que seule la résolution de Hubble pouvait l'observer. Les astrophysiciens à l'origine de cette observation déduisent une valeur robuste de la masse de l'étoile naine blanche "lentille" : 0,68 masse solaire. La naine blanche en question est appelée Stein 2051 B et est littéralement passée devant une étoile plus lointaine de notre galaxie. 

Kailash Sahu (Space Telescope Science Institute) a présenté les résultats de son équipe aujourd'hui lors de la 230ème réunion de l'American Astronomical Society qui a lieu toute la semaine à Austin, Texas, des résultats qui sont publiés dans Science ce vendredi. L'équipe a identifié Stein 2051 B et l'étoile d'arrière plan après avoir trié plus de 5000 étoiles proches qui apparaissent bouger rapidement dans le ciel. Les étoiles qui ont un mouvement apparent rapide ont en effet une plus grande probabilité de passer devant une étoile plus lointaine.
Les astronomes ont ensuite utilisé le Wide Field Camera 3 de Hubble à 7 reprises durant près de 2 ans lorsqu'elle passait à proximité (apparente) immédiate de l'étoile d'arrière plan, et ils ont dû calculer à l'avance la trajectoire de la naine blanche pour observer pile au bon moment. L'autre difficulté était que la naine blanche est située à 17 années-lumière et l'étoile d'arrière plan à 5000 années-lumière, ce qui produit une différence de luminosité d'un facteur 400. Un joli petit challenge finalement réussi.


La manière la plus classique pour trouver quelle est la masse d'une étoile est de mesurer le mouvement orbital lorsqu'on est en présence d'un système binaire. Il se trouve que Stein 2051 B est accompagnée d'une étoile naine rouge, mais la méthode du mouvement orbital ne peut pas y être appliquée du fait de leur trop grand écartement (plus de 50 unités astronomiques). Dans ces cas ou dans le cas d'étoiles isolées, la méthode de la lentille s'avère ainsi très utile et directe. Cette technique ouvre la voie à une nouvelle façon de déterminer la masse des étoiles. 

Kailash Sahu et ses collaborateurs peuvent même exploiter la valeur de masse trouvée pour alimenter une théorie de la composition et de la structure des naines blanches. Les observations viennent en fait confirmer la théorie des naines blanches élaborée en 1935 par Subrahmanyan Chandrasekhar, notamment le lien qui existe entre le rayon d'une naine blanche et sa masse.

Les astronomes américains prévoient d'ores et déjà d'appliquer très bientôt cette méthode centenaire sur l'étoile la plus proche de nous, Proxima Centauri, une voie prometteuse tant que Hubble est encore fonctionnel.

Référence

Relativistic deflection of background starlight measures the mass of a nearby white dwarf star
Kailash C. Sahu et al.
Science  (7 juin 2017)
10.1126/science.aal2879

Illustration

Principe de la mesure de la déflexion de la lumière d'une étoile lointaine par la masse d'une étoile proche (NASA, ESA, and K. Sahu (STScI))

3 commentaires :

Youx a dit…

Bonjour Eric,
Est-ce que la déviation de la lumière peut être calculée, en valeur absolue, ou alors faut-il encore 'calibrer' la relation entre la valeur calculée et celle observée, en fonction de la masse de l'étoile lentille et des distances mesurées par d'autres méthodes?

bongo a dit…

Je ne comprends pas très bien la question.
La valeur de déflexion est donnée par l'équation suivante :
phi = 4GM/rc²
pour un rayon rasant la surface de la dite étoile.

Ici, Hubble a mesuré la déflexion (l'angle phi) et les astrophysiciens en ont déduit M.

LoiseauSebastien a dit…

BOnjour,
N'y a-t-il pas eu mise en cause des travaux d'Eddington, soupçonné d'avoir fait en sorte que les résultats de ses observations collent à la théorie, et non l'inverse ? Ce qui ne remet pas en cause les travaux ultérieurs jusqu'à ceux réalisés avec Hubble !