Pour la première fois, des astronomes ont découvert une naine blanche ayant deux faces différentes, l’une constituée d’hydrogène et l’autre d’hélium. Cette découverte soulève de nouvelles théories sur l’évolution des naines blanches et sur le rôle des champs magnétiques dans la formation des corps célestes. Crédit : K. Miller, Caltech/IPAC
Une étoile naine blanche inhabituelle est composée d’hydrogène d’un côté et d’hélium de l’autre.
Pour la première fois, des astronomes ont découvert qu’au moins un membre de la famille des naines blanches, c’est-à-dire les cœurs brûlés des étoiles mortes, présente deux faces. Un côté de la naine blanche est composé d’hydrogène, tandis que l’autre est constitué d’hélium.
« La surface de la naine blanche change complètement d’un côté à l’autre », explique Ilaria Caiazzo, chercheuse postdoctorale au Caltech, qui dirige une nouvelle étude sur les résultats dans la revue Nature. « Lorsque je montre les observations aux gens, ils sont stupéfaits.
Les naines blanches sont les restes brûlants d’étoiles qui ressemblaient autrefois à notre soleil. Au fur et à mesure qu’elles vieillissent, elles se transforment en géantes rouges ; finalement, leur matière extérieure duveteuse s’envole et leur cœur se contracte en naines blanches denses et brûlantes. Notre soleil se transformera en naine blanche dans environ 5 milliards d’années.
Illaria Caiazzo, chercheuse postdoctorale en astronomie, explique comment son équipe a utilisé le ZTF pour découvrir une naine blanche « à deux visages » très inhabituelle : une face est constituée d’hélium et l’autre d’hydrogène. Crédit : Caltech
La nouvelle naine blanche, surnommée Janus en référence au dieu romain à deux visages de la transition, a été initialement découverte par le Zwicky Transient Facility (ZTF), un instrument qui scrute le ciel chaque nuit depuis l’observatoire Palomar du Caltech, près de San Diego. Mme Caiazzo était à la recherche de naines blanches fortement magnétisées, comme l’objet connu sous le nom de ZTF J1901+1458, qu’elle et son équipe avaient découvert précédemment grâce à la ZTF. Un objet candidat s’est distingué par ses changements rapides de luminosité. Mme Caiazzo a donc décidé d’approfondir ses recherches avec l’instrument CHIMERA à Palomar, ainsi qu’avec HiPERCAM sur le Gran Telescopio Canarias, dans les îles Canaries en Espagne. Ces données ont confirmé que Janus tourne sur son axe toutes les 15 minutes.
Des observations ultérieures réalisées avec l’observatoire W. M. Keck au sommet du Maunakea à Hawaï ont révélé la nature dramatique de la double face de la naine blanche. L’équipe a utilisé un instrument appelé spectromètre pour répartir la lumière de la naine blanche dans un arc-en-ciel de longueurs d’onde contenant des empreintes chimiques. Les données ont révélé la présence d’hydrogène lorsqu’un côté de l’objet était visible (sans signe d’hélium), et seulement d’hélium lorsque l’autre côté était visible.
Ce concept d’artiste montre la naine blanche à deux visages surnommée Janus. Cette cendre morte teintée de bleu, qui était autrefois une étoile comme notre soleil, est principalement composée d’hydrogène d’un côté et d’hélium de l’autre (le côté hydrogène apparaît plus lumineux). Le double visage particulier de cette naine blanche pourrait être dû à l’interaction des champs magnétiques et de la convection, ou à un mélange de matériaux. Du côté de l’hélium, qui apparaît comme une bulle, la convection a détruit la fine couche d’hydrogène à la surface et a fait remonter l’hélium en dessous. Crédit : K. Miller, Caltech/IPAC
Comment une naine blanche flottant seule dans l’espace peut-elle présenter des visages aussi radicalement différents ? L’équipe reconnaît qu’elle est déconcertée, mais elle a formulé quelques théories possibles. L’une d’entre elles est que nous pourrions assister à une phase rare de l’évolution de Janus en tant que naine blanche.
« Pas toutes, mais certaines naines blanches passent d’une dominante hydrogène à une dominante hélium à leur surface », explique M. Caiazzo. « Il est possible que nous ayons pris une de ces naines blanches en flagrant délit.
Une fois les naines blanches formées, les éléments les plus lourds coulent dans leur noyau et les éléments les plus légers – l’hydrogène étant le plus léger de tous – flottent à la surface. Mais au fil du temps, lorsque les naines blanches se refroidissent, on pense que les matériaux se mélangent. Dans certains cas, l’hydrogène est mélangé à l’intérieur et dilué, de sorte que l’hélium devient plus important. Janus pourrait incarner cette phase de transition, mais une question pressante se pose : pourquoi la transition se produit-elle de manière aussi décousue, un côté évoluant avant l’autre ?
Selon l’équipe scientifique, la réponse pourrait se trouver dans les champs magnétiques.
Les scientifiques pensent que les champs magnétiques pourraient expliquer l’aspect inhabituel des deux faces de la naine blanche surnommée Janus. Un côté de la surface de l’étoile morte est composé principalement d’hydrogène, tandis que l’autre côté est constitué d’hélium, comme le montre cette animation d’artiste. Des champs magnétiques asymétriques (représentés par des lignes en boucle) ont pu influencer le mélange des matériaux dans la naine blanche de manière à provoquer leur répartition inégale. La rotation de la naine blanche a été accélérée dans cette animation ; normalement, elle tourne autour de son axe toutes les 15 minutes. Janus se trouve à environ 1 300 années-lumière dans la constellation du Cygne. Crédit : K. Miller, Caltech/IPAC
« Les champs magnétiques autour des corps cosmiques ont tendance à être asymétriques, c’est-à-dire qu’ils sont plus forts d’un côté », explique M. Caiazzo. « Les champs magnétiques peuvent empêcher le mélange des matériaux. Donc, si le champ magnétique est plus fort d’un côté, il y aura moins de mélange et donc plus d’hydrogène. »
Une autre théorie proposée par l’équipe pour expliquer les deux faces dépend également des champs magnétiques. Mais dans ce scénario, on pense que les champs modifient la pression et la densité des gaz atmosphériques.
Les champs magnétiques peuvent entraîner une baisse de la pression des gaz dans l’atmosphère, ce qui pourrait permettre la formation d’un « océan » d’hydrogène là où les champs magnétiques sont les plus forts », explique James Fuller, professeur d’astrophysique théorique à Caltech et coauteur de l’étude. « Nous ne savons pas laquelle de ces théories est la bonne, mais nous ne voyons pas d’autre moyen d’expliquer les côtés asymétriques sans champs magnétiques. »
Pour aider à résoudre ce mystère, l’équipe espère trouver d’autres naines blanches de type Janus grâce à l’étude du ciel du ZTF. « ZTF est très doué pour trouver des objets étranges », explique Caiazzo. Les futurs relevés, tels que ceux qui seront effectués par l’Observatoire Vera C. Rubin au Chili, devraient permettre de trouver encore plus facilement des naines blanches variables.
Référence : « A rotating white dwarf shows different compositions on its opposite faces » par Ilaria Caiazzo, Kevin B. Burdge, Pier-Emmanuel Tremblay, James Fuller, Lilia Ferrario, Boris T. Gänsicke, J. J. Hermes, Jeremy Heyl, Adela Kawka, S. R. Kulkarni, Thomas R. Marsh, Przemek Mróz, Thomas A. Prince, Harvey B. Richer, Antonio C. Rodriguez, Jan van Roestel, Zachary P. Vanderbosch, Stéphane Vennes, Dayal Wickramasinghe, Vikram S. Dhillon, Stuart P. Littlefair, James Munday, Ingrid Pelisoli, Daniel Perley, Eric C. Bellm, Elmé Breedt, Alex J. Brown, Richard Dekany, Andrew Drake, Martin J. Dyer, Matthew J. Graham, Matthew J. Green, Russ R. Laher, Paul Kerry, Steven G. Parsons, Reed L. Riddle, Ben Rusholme et Dave I. Sahman, 19 juillet 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06171-9
L’étude a été financée par l’Institut Walter Burke de physique théorique du Caltech, le Conseil européen de la recherche, le Leverhulme Trust et le Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni.
Les observations de l’observatoire Neils Gehrels Swift de la NASA – rebaptisé en l’honneur de Gehrels, un ancien élève de Caltech (PhD ’82) décédé en 2017 – ont également été utilisées dans l’étude pour aider à affiner la température de l’objet à 35 000 kelvins (environ 35 000 degrés Celsius).
Le ZTF de Caltech est financé par la National Science Foundation et une collaboration internationale de partenaires. La Fondation Heising-Simons et le Caltech apportent un soutien supplémentaire. Les données du ZTF sont traitées et archivées par IPAC, un centre scientifique et de données pour l’astronomie au Caltech. La NASA soutient la recherche d’objets géocroiseurs par le biais du programme Near-Earth Object Observations (observations d’objets géocroiseurs).