vendredi 6 juillet 2018

Des rayons cosmiques en provenance de la monstrueuse Eta Carinae


Selon des nouvelles données obtenues avec le télescope spatial NuSTAR, l'étoile binaire ultramassive Eta Carinae accélère des particules jusqu'à des hautes énergies, se révélant ainsi être une nouvelle source de rayons cosmiques pouvant arriver au niveau de la Terre située à seulement 7500 années-lumière de distance.




Eta Carinae s'est rendue célèbre dans les années 1840 où elle a montré une énorme éruption cataclysmique qui a produit une nébuleuse difforme qu'on appelle aujourd'hui la Nébuleuse de l'Homoncule. Entre 1838 et 1845, Eta Carinae est devenue la deuxième étoile la plus brillante du ciel. Ce que les astronomes de l'époque et ultérieurs ont appelé le Grande Eruption a dispersé dans le voisinage du couple de géantes entre 10 et 40 masses solaires de gaz, une quantité hors norme. Aujourd'hui, la nébuleuse de l'Homoncule fait 1 année-lumière de long.
Car Eta Carinae, aussi dénommée HD 93308 et Hen 3-481, est en fait une paire d'étoiles très massives dont les orbites excentriques les rapprochent extrêmement près l'une de l'autre tous les 5,5 ans, à seulement 225 millions de km l'une de l'autre (l'équivalent de la distance entre le Soleil et Mars). La plus "petite" des deux est 30 fois plus massive que le Soleil et un million de fois plus brillante, tandis que la plus grosse, fait 90 masses solaires et sa luminosité est 5 millions de fois plus forte que celle de notre Soleil. Ces deux compagnes sont vouées à exploser en supernova l'une comme l'autre et dans relativement peu de temps. 


Les deux compagnes de Eta Carinae produisent d'intenses vents stellaires. La zone où ces deux vents se rencontrent varie en fonction de la situation orbitale du couple, ce qui produit un signal périodique dans le domaine des rayons X de faible énergie. Ce phénomène est observé depuis une vingtaine d'années.
Du côté des plus hautes énergies, les rayons gamma, le télescope Fermi-LAT avait détecté il y a quelques années un changement brutal du flux de rayons gamma énergétiques provenant d'une source dont la direction pouvait coïncider avec Eta Carinae, mais la résolution angulaire de Fermi-LAT ne permettait malheureusement pas de déterminer avec certitude que cette émission gamma provenait réellement de Eta Carinae.
C'est dans le but de faire un lien entre les rayons X de basse énergie et les rayons gamma de haute énergie que Kenji Hamaguchi (Goddard Space Flight Cetner) et ses collaborateurs ont utilisé le télescope NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array ) pour étudier les émissions X de plus haute énergie provenant de Eta Carinae. NuSTAR possède l'avantage sur d'autres télescopes X comme Chandra ou XMM-Newton, de pouvoir focaliser des photons de relativement haute énergie. Les astrophysiciens ont épluché des données de NuSTAR archivées entre 2014 et 2016, ainsi que des données de XMM-Newton datant de la même période.
Les rayons X de basse énergie détectés par XMM-Newton, qu'on appelle des X "mous", viennent du gaz échauffé à l'interface des deux vents stellaires en collision, où la température avoisine les 40 millions de degrés. Il s'agit de rayons X dits thermiques. Mais NuSTAR, lui, a détecté des rayons X de 30 keV, des rayons X "durs" qui ne peuvent pas être expliqués par un  phénomène purement thermique. Qui plus est, l'équipe de Hamaguchi montre dans l'étude qu'ils publient dans Nature Astronomy, que ces rayons X durs ont une intensité qui varie avec la période orbitale du couple d'étoiles et suit même tout à fait les variations d'intensité des rayons gamma observés par Fermi-LAT. 


Il n'en fallait pas plus pour les astrophysiciens pour trouver une explication logique : la source des rayons X durs et des rayons gamma serait des électrons accélérés par le processus de Fermi, dans des violentes ondes de choc qui s'étendent le long de la frontière des vents stellaires en collision, entre les deux étoiles. Ces électrons, une fois fortement accélérés produiraient ensuite des interactions avec des photons de lumière du milieu par effet Compton inverse, transférant une grande partie de leur énergie cinétique aux photons, qui se retrouveraient alors très vite dans le domaine des rayons X ou des rayons gamma. 
Et bien, sûr, une partie de ces électrons très énergétiques peut sortir de ce milieu assez dense sans interagir et se retrouver dans le milieu interstellaire et éventuellement atteindre notre planète, et que l'on détecterait alors sous le petit nom de rayons cosmiques.
On savait déjà que les ondes de chocs des explosions d'étoiles ou celles produites par les vents de pulsar pouvaient accélérer fortement des particules jusqu'à des vitesses relativistes. Il semblerait donc que le processus existe aussi dans d'autres environnement un peu extrêmes comme celui d'Eta Carinae.
La détermination de la source du rayonnement cosmique que l'on détecte sur Terre est l'une des tâches les plus délicates à mener, car les particules qui le constitue sont électriquement chargées et voient donc en permanence leur trajectoire modifiée par la présence de champs magnétiques durant leur trajet. En revanche les photons, eux, vont tout droit, sauf lorsqu'ils sont diffusés sporadiquement par des électrons ou déviés dans la courbure de l'espace-temps. Lier l'émission de photons énergétiques avec la production de particules chargées et pouvoir les détecter permet ainsi de mieux tracer l'origine des particules chargées accélérées.

Eta Carinae n'a sans doute pas fini de nous livrer ses secrets, jusqu'à l'ultime feu d'artifice qui nous mettra aux premières loges, on espère le plus tôt possible.


Source

Non-thermal X-rays from colliding wind shock acceleration in the massive binary Eta Carinae
Kenji Hamaguchi, Michael F. Corcoran, Julian M. Pittard, Neetika Sharma, Hiromitsu Takahashi, Christopher M. P. Russell, Brian W. Grefenstette, Daniel R. Wik, Theodore R. Gull, Noel D. Richardson, Thomas I. Madura & Anthony F. J. Moffat 
Nature Astronomy (2 july 2018) 
https://www.nature.com/articles/s41550-018-0505-1


Illustrations

1) La nébuleuse de l'Homoncule cachant le couple ultramassif de Eta Carinae, imagé ici par Hubble (NASA/ESA/Hubble SM4 ERO Team)

2) Le télescope spatial NuSTAR (JPL/NASA)