24/02/22

Les naines blanches ultramassives de l'amas Alpha Persei


Une équipe d’astrophysiciens canadiens, anglais et états-uniens a étudié les étoiles naines blanches qui se sont échappées de l’amas Alpha Persei depuis sa naissance il y a 81 millions d’années. Ils trouvent des naines blanches très massives, dont les étoiles progénitrices devaient avoir plus de 8 masses solaires, repoussant la limite supérieure pour la formation d'une naine blanche à partir d'une seule étoile massive. Ils publient leur étude dans The Astrophysical Journal Letters.

Aujourd’hui, la masse maximale au-delà de laquelle on estime qu’une étoile finira non pas en naine blanche mais en supernova produisant une étoile à neutrons ou un trou noir est sujette à controverse. De nombreux astrophysiciens s’étaient accordés sur une limite à 8 masses solaires mais d’autres ont montré que des étoiles pouvaient encore survivre jusqu’à 12 masses solaires sans exploser. La théorie suggère en effet que cette valeur limite devrait être d'environ 8 M⊙, mais pour que cette limite tienne, le taux de supernovas de type II qui est observé devrait être beaucoup plus élevé. Cette pénurie de supernovas de type II observées peut indiquer une masse maximale plus élevée. Mieux contraindre cette limite est important car elle a un impact profond sur un certain nombre de quantités astrophysiques, notamment les taux de formation des objets compacts et les taux d'enrichissement en métaux des galaxies.

C’est ce qu’ont cherché à faire David Miller (université de Colombie britannique) et ses collaborateurs en recherchant spécifiquement des naines blanches qui s’approchent au plus près de la limite de Chandrasekhar (1,38 masses solaires) et en évaluant la masse des étoiles dont elles sont issues. L'identification de telles naines blanches massives dans de jeunes amas est avantageuse car elle permet d'utiliser l'âge de refroidissement de la naine blanche pour estimer la masse du progéniteur comme étant la masse de bifurcation des étoiles de la séquence principale de l'amas au moment où la naine blanche est née. Les mesures de parallaxes et les mouvements propres précis mesurés par Gaia permettent de sélectionner des membres d'amas avec une très grande confiance en utilisant uniquement l'astrométrie et la photométrie. Encore récemment, en 2021, Richer et ses collaborateurs ont effectué une large recherche de naines blanches massives dans des amas jeunes avec cette méthode qui leur a permis d'identifier 3 nouvelles naines blanches jeunes de masse élevée comme étant des membres d'amas, mais ils n'ont pas réussi à identifier des naines blanches ayant une masse supérieure à 1,1 M⊙ ou avec des progéniteurs supérieurs à 6,2 M⊙, ce qui laisse toujours un vide dans la région de masse élevée de la relation de masse initiale-masse finale pour les naines blanches.

Comme les naines blanches les plus massives sont les premières à naître dans un amas (plus les étoiles sont massives, plus elles évoluent vite), et comme la vitesse d'échappement dans les amas ouverts est assez faible, les naines blanches massives manquantes pourraient s'être échappées de leurs amas hôtes. Les amas ouverts sont en fait connus depuis 2003 pour être déficients en naines blanches et les chercheurs pensent que ce déficit peut être dû au fait que les naines blanches reçoivent une impulsion de quelques kilomètres par seconde à leur naissance, ce qui est suffisant pour qu’elles s’en échappent.

David Miller et ses collaborateurs s’intéressent aux naines blanches dans ce cas et qui s’approcheraient au plus près de la limite de Chandrasekhar. Ils ont repéré 5 naines blanches dans le catalogue des données de Gaia, qu'ils ont nommé WD1, WD2, WD3, WD4 et WD5, dont la vitesse et la position indiquent qu’elles se seraient échappées de l’amas d’étoiles qui a vu naître leur étoile progénitrice. Puis c’est à partir des spectres obtenus sur les naines blanches grâce à plusieurs télescopes (Gemini-North, Keck, et Palomar DBSP) qu’ils peuvent donner une valeur de leur âge de refroidissement. A partir de cette analyse, qui permet également de déterminer indirectement la masse de ces naines blanches, les chercheurs ont trouvé que WD3 et WD4 sont beaucoup plus âgées que l'amas et donc n'en proviennent pas. Ils se sont donc focalisés sur les trois autres.

WD1 est la plus intéressante : elle s'est échappée de Alpha Persei il y a environ 5 millions d'années avec une vitesse de 4,08 km s−1. Elle est aujourd'hui à 25 pc de l'amas. Le modèle de d'évolution en coeur stellaire de type O-Ne implique que cette naine blanche a une masse de 1,20 ± 0,01 M⊙, donc très proche de la masse limite, et un âge de refroidissement de 45 millions d'années. Et comme l'amas à 81 millions d'années, la durée de vie de son étoile progénitrice sur la séquence principale (avant de perdre son enveloppe et de devenir une naine blanche) est donc estimé à 35 ± 7 millions d'années, et une telle durée de vie dans cette phase correspond à une étoile de 8,5 ± 0,9 M⊙ d'après les modèles isochrones de Padova qui ont été développés depuis 2012. 

En déroulant la même méthode, Miller et son équipe trouvent que WD2, qui se trouve aujourd'hui à 20 pc de l'amas, s'en est échappée il y a 12 millions d'années avec une vitesse de 1,61 km s−1. Elle a une masse de 1,17 ± 0,01 M⊙ et un âge de 14 ± 4 millions d'années, donc une progénitrice de 6,3 ± 0,3 M⊙. WD5, elle, a quitté l'amas il y a 30 millions d'années et était peut-être encore une étoile de la séquence principale à ce moment là. Elle se trouve à 136 pc de l'amas et a une vitesse de 4,43 km s−1. WD5 a une masse de 1,12 ± 0,02 M⊙ avec un âge de refroidissement de seulement 3 ± 1 millions d'années, ce qui correspond à une progénitrice de  5,9 ± 0.2 M⊙. 

Ces naines blanches de plus de 1 masse solaire sont qualifiées de naines blanches "ultra-massives". Étant donné que WD1 a une masse de 1,2 M⊙, proche mais tout de même inférieure à la limite de Chandrasekhar (d'environ 1,38 M⊙) et que sa progénitrice aurait eu 8,5 masses solaires, Miller et son équipe concluent que la limite supérieure de la masse d'une étoile qui peut terminer sa vie en naine blanche est bien supérieure à 8 M⊙ ou bien, que l'évolution à partir d’une étoile unique ne produit pas de naines blanches ayant une masse allant jusqu'à la limite de Chandrasekhar...

Compte tenu du nombre significatif de naines blanches échappées qui ont pu être observées en provenance de l’amas Alpha Persei, les chercheurs estiment que beaucoup de ces objets ont dû également s’échapper d'autres amas et attendent simplement d'être identifiés. La quête va donc continuer pour mieux contraindre par l'observation la masse limite des étoiles progénitrices des naines blanches.


Source

The Ultramassive White Dwarfs of the Alpha Persei Cluster

David R. Miller et al.

The Astrophysical Journal Letters, Volume 926, Number 2 (21 February 2022 )

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac50a5


Illustrations


1. L'amas Alpha Persei (Martin Gambec)

2. Diagramme masse initiale - masse finale pour différents groupes de naines blanches d'âge connu (Miller et al.) 

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