Une équipe d'astronomes vient de débusquer 97 systèmes d'étoiles quadruples grâce au télescope TESS, ce qui double le nombre connu de ces systèmes multiples. Ils publient leurs découvertes dans The Astrophysical Journal Supplement Series.
Le télescope TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA est spécialisé dans les découvertes d'exoplanètes par la méthode du transit, lorsqu'une planète passe devant son étoile, produisant une petite baisse de luminosité transitoire. Mais il n'y a pas que les planètes qui peuvent produire des éclipses, d'autres étoiles peuvent en faire de même, avec des courbes de luminosité qui sont un peu différentes.
La caméra à grand champ de TESS a déjà sondé 85 % du ciel et recueilli une énorme quantité de données. Les scientifiques ont utilisé l'apprentissage automatique associé à un examen visuel par sept citoyens bénévoles expérimentés pour passer toutes ces données au peigne fin pixel par pixel. Veselin Kostov (Goddard Space Flight Center/NASA) et ses collaborateurs ont concentré leurs efforts sur l'identification des systèmes stellaires triples et quadruples, mais les résultats vont au-delà de ces systèmes stellaires multiples. Ils ont également trouvé le premier système stellaire sextuple à éclipse et la première planète circumbinaire en transit.
Les systèmes stellaires quadruples contiennent deux paires d'étoiles binaires à éclipses. Elles ne sont binaires éclipsantes que si elles s'éclipsent mutuellement depuis notre point d'observation.
Le système sextuple détecté, nommé TIC 16878984, est composé d'un système quadruple (deux binaires qui se tournent autour), entouré par un autre binaire qui tourne autour de ce système quadruple. Ce système de six étoiles a pu être caractérisé : les deux binaires à éclipse du système quadruple ont des périodes orbitales 1,31 jours et 1,57 jours et une période orbitale mutuelle d'environ 4 ans. La troisième binaire a une période orbitale de 8,22 jours et l'orbite extérieure du système sextuple a une période d'environ 2000 ans. Les six étoiles ont des masses très similaires (environ 1,3 M⊙ pour les primaires, et 0,6 M⊙ pour les secondaires), avec des rayons d'environ 1,6 R⊙ pour les primaires et 0,57 R⊙ pour les secondaires, les températures effectives quant à elles sont d'environ 6400 K pour les primaires, et de 4100 K pour les secondaires.
Tous ces transits et éclipses peuvent être difficiles à démêler.
Les chercheurs ne se sont ainsi intéressés qu'à des systèmes d'étoiles quadruples spécifiques, et ils en ont délibérément exclu d'autres. Les cibles répertoriées dans ce nouveau catalogue sont des candidats quadruples qui proviennent chacun d'une seule source de TESS, c'est-à-dire que les binaires à éclipse à deux composants ne sont pas résolues dans les données TESS. Ces systèmes quadruples présentent des changements observables à des échelles de temps humaines (mois ou années).
Si TESS localise une paire de binaires à éclipses séparées par deux pixels, et si ces binaires sont à 500 parsecs de nous, cela signifie qu'elles sont séparées l'une de l'autre par 20,000 UA. À une telle distance, il faudrait des centaines d'années pour remarquer la moindre interaction entre les étoiles. Les systèmes doivent être plus proches les uns des autres pour présenter des interactions observables en quelques mois ou années, ils doivent donc se trouver dans le même pixel. Les chercheurs ont donc scruté l'évolution dans le temps de chaque pixel pour construire des courbes de luminosité et déceler des variations significatives.
En utilisant ces courbes de lumière, ils ont détecté 2311 candidats pour des systèmes stellaires multiples (triple et supérieur). Parmi ceux-ci, 10% ont passé tous les tests de vérification, 9% ont passé les tests préliminaires de vérification, y compris l'analyse des données pixel par pixel, et 81% ont été éliminés comme faux positifs. Le catalogue de 97 candidats quadruples présenté représente tous ces systèmes entièrement vérifiés, à l'exception d'une poignée d'entre eux qui nécessitent une analyse plus approfondie. Il y a notamment 905 candidats (∼39%) qui doivent encore être vérifiés, et la nature de 87 candidats (4%) n'est actuellement pas claire. Dans l'ensemble, la détection, le contrôle et l'analyse des systèmes candidats est un processus continu, et les résultats seront publiés au fur et à mesure.
Les systèmes figurant dans le catalogue construit par Kostov et ses collaborateurs ont donc survécu à un processus de vérification rigoureux. Les systèmes clairement identifiés présentent deux séries d'éclipses avec deux périodes distinctes. L'équipe a rencontré de nombreux faux positifs. Une étoile de champ proche de la cible pouvait paraître être une autre binaire à éclipse jusqu'à ce qu'une analyse plus approfondie l'exclue. D'autres fois, l'équipe a détecté deux paires de binaires à éclipse, mais elles étaient trop éloignées l'une de l'autre pour constituer un système d'étoiles quadruples. Les chercheurs ont également mis la main sur des systèmes stellaires triples dont le modèle d'éclipse imitait un système stellaire quadruple. Les systèmes à étoiles multiples peuvent révéler beaucoup de choses sur les voies d'évolution stellaire. Ils sont liés aux étapes de l'évolution stellaire telles que les binaires à courte période, les événements à enveloppe commune, les supernovas de type Ia et bien sûr les fusions d'étoiles à neutron et de trous noirs.
La disposition des étoiles dans les systèmes multiples est également une information importante sur la façon avec laquelle les étoiles se sont formées. Par exemple, les rapports de masse entre les composants individuels d'un système quadruple, les rapports de période entre les systèmes binaires constitutifs et l'inclinaison mutuelle fournissent des informations permettant de savoir si le système s'est formé par un scénario "descendant" via la fragmentation d'un disque de gaz ou par un scénario "ascendant" via un processus de capture gravitationnelle.
On se doute bien que dans un système quadruple, les planètes doivent être un peu particulières : elles peuvent être en orbite de l'une ou l'autre étoile ou bien autour d'un couple d'étoiles, voire de l'ensemble du double couple. En 2015, des astronomes ont découvert une planète massive dans le système d'étoiles quadruples 30 Arietis, une énorme géante gazeuse dix fois plus massive que Jupiter. En 2019, les chercheurs ont découvert un système stellaire quadruple unique où le plan orbital des étoiles se trouve à angle droit par rapport au disque de gaz et de poussière qui les entoure. Des planètes s'y formeront probablement à partir de ce disque protoplanétaire très incliné...
Kostov et son équipe, au vu du nombre très élevé de faux positifs qu'ils ont écartés (10 fois plus que de vrais candidats), estiment qu'une analyse plus fine de toutes les données accumulées pourrait finalement fournir deux fois plus de systèmes quadruples réels.
Source
Ninety-seven Eclipsing Quadruple Star Candidates Discovered in TESS Full-frame Images
Veselin Kostov et al.
The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 259, Number 2 (13 april 2022)
Illustration
Vue d'artiste d'un système d'étoiles quadruple (NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC))
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