Des astrophysiciens chinois ont récemment découvert un système d’étoiles binaires étonnant, composé d’une naine blanche et d’une petite étoile de type sous-naine chaude. Les deux étoiles se tournent autour l'une de l'autre en seulement 20,5 minutes. Et elles sont sur le point de générer un fort rayonnement d’ondes gravitationnelles d’une fréquence de l'ordre du millihertz, qui devrait être détecté par les futurs observatoires spatiaux d’ondes gravitationnelles. Ils publient leur étude dans Nature Astronomy.
Jie Lin et ses collaborateurs ont utilisé le télescope TMTS de l'Observatoire Xinglong situé dans la province du Hebei, au nord de la Chine.
Depuis sa mise en service en 2020, le TMTS scrute l’hémisphère nord avec une cadence d’environ une minute. À la fin de 2023, TMTS avait accumulé des données photométriques sur plus de 27 millions d’étoiles, qui comprennent des dizaines de sources variables à courte période. L’équipe a découvert ce système binaire unique parmi ces variables à courte période, et il porte maintenant le nom de TMTS J0526. Le couple d'étoiles se situe à environ 2 760 années-lumière. Le système abrite une étoile naine blanche de type carbone-oxygène assez classique et une étoile sous-naine de type B, qui a la particularité d'avoir faible masse de seulement 0,33 masse solaire, et aussi un tout petit rayon. Celui-ci ne fait que 0,066 R⊙, soit à peine 7 fois le rayon de la Terre. Cette étoile est donc 1000 fois plus dense que le Soleil. C'est l'étoile la plus petite en volume connue.
Cette sous-naine vérifie la prédiction théorique de la formation d'un tel système binaire spécial qui avait été proposée par l'équipe de Han Zhanwen en 2003. La théorie de l'évolution binaire prédit en effet que la deuxième éjection d'enveloppe commune peut produire des étoiles sous-naines de type B de faible masse (de 0,32 à 0,36 M⊙) à l'intérieur de systèmes binaires à période orbitale ultracourte, car leurs noyaux d'hélium sont allumés dans des conditions non dégénérées. Et avec la désintégration orbitale provoquée par le rayonnement d'ondes gravitationnelles des deux étoiles, les périodes orbitales minimales des binaires détachées de ce type pourraient théoriquement être aussi courtes que 20 minutes. Mais jusqu'à aujourd'hui, seules quatre binaires avec une sous naine de type B et avec des périodes orbitales inférieures à une heure ont été observées, et aucune d'entre elles n'a une période orbitale proche de la limite théorique de 20 minutes. TMTS J0526 vient donc combler ce vide.
TMTS J0526 est une binaire ellipsoïdale dont la période orbitale n'est que de 20,5 minutes. Dans ce système, l'étoile visible est la sous-naine, et la naine blanche n'est pas visible. Et la petite étoile chaude est déformée par les marées induites par la naine blanche de type carbone-oxygène. Elle approche d'ailleurs la limite d'inflammation de l'hélium d'après les données, bien qu'une étoile de type naine blanche à noyau d'hélium ne puisse pas être complètement exclue, selon Lin et ses collaborateurs (la probabilité est de 0,46%...).
J0526 est ce qu'on appelle une binaire ultracompacte. Sa période orbitale extrêmement courte, sa compagne naine blanche et la composante sous-naine de faible masse qui est un en fait le coeur d'hélium résiduel d'une étoile de la séquence principale, suivent exactement les prédictions théoriques du deuxième canal d'éjection d'enveloppe commune. A partir de la masse de J0526B qui a été trouvée égale à 0,33 M⊙, Lin et ces collaborateurs calculent que le rayon de son lobe de Roche vaut environ 0,079 R⊙ , ce qui est plus large que la taille de J0526B (0,066 R⊙) et donc cohérent avec l'inférence selon laquelle ce système binaire est actuellement détaché. Mais Lin et ses collaborateurs montrent qu'avec une contraction orbitale provoquée par le rayonnement d'ondes gravitationnelles, après environ 1,5 Mégannées, J0526B débordera de son lobe de Roche et transférera alors de la masse vers la naine blanche qui aura à ce moment là une période orbitale d'environ 14 min. Cela conduira à la formation d'une étoile de type AM CVn. Les étoiles de type AM Canum Venaticorum (du nom de l'étoile protoype d'un tel système), sont des étoiles variables cataclysmiques, dans lesquelles une naine blanche accrète de la matière pauvre en hydrogène d'une étoile compagne compacte. Elles sont caractérisées par des spectres singuliers qui sont largement dominés par l'hélium.
En raison de la nature non dégénérée de J0526B (c'est à dire une étoile qui n'est pas une naine blanche), son rayon diminuera en réponse à la perte de masse (c'est l'inverse pour une naine blanche), favorisant ainsi une contraction orbitale supplémentaire entraînée par le rayonnement gravitationnel. Au fur et à mesure que le transfert de masse éteint la combustion de l'hélium, J0526B entamera une transition vers un état dégénéré, devenant par exemple une mini-naine blanche à noyau d'Hélium. Lorsque la pression de dégénérescence électronique deviendra dominante, J0526, qui sera alors un couple de naines blanches, devrait atteindre une période orbitale minimale de ∼ 9 min, puis J0526B commencera à se dilater à mesure qu'elle perdra de la masse, conduisant alors à une période orbitale croissante comme le prédit la théorie de l'évolution binaire. En fin de compte, l'étoile donneuse dans un tel système AM CVn évoluera vers un état de planète en orbite autour de la "grosse" naine blanche initiale, ou bien elle sera déchiquetée par les effets de marée induits par la naine blanche lorsque sa masse deviendra inférieure à 0,002 M⊙ comme l'avaient montré Ruderman et al. en 1985.
En résumé, J0526 est une binaire détachée unique qui a la période orbitale la plus courte connue. Elle pourrait fournir des preuves observationnelles cruciales soutenant un schéma évolutif complet, allant des couples d'étoiles de la séquence principale devenant des binaires séquence principale + naine blanche, puis passant ensuite aux binaires sous-naine + naine blanche et enfin aux systèmes AM CVn. J0526 n'est probablement qu'une tête de série, avec les futurs grands télescopes mais aussi les détecteurs d'ondes gravitationnelles spatiaux, d'autres binaires du même type à période orbitale extrêmement courte seront découvertes, ce qui fera avancer notre compréhension de la formation. des étoiles sous naines, et des étoiles binaires de type AM CVn.
Source
A seven-Earth-radius helium-burning star inside a 20.5-min detached binary
Jie Lin et al.
Nature Astronomy (9 february 2024)
Illustrations
1. Vue d'artiste du système binaire TMTS J0526 (Xinhua university)
2. Le télescope TMTS (Xinhua university)
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