Les astronomes lèvent le voile sur le mystère des jumeaux disparus au centre de la galaxie

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Image des étoiles binaires Alpha Centauri A (à gauche) et Alpha Centauri B, prise par le télescope spatial Hubble. Située dans la constellation du Centaure, à une distance de 4,3 années-lumière, la paire d’étoiles tourne autour d’un centre de gravité commun une fois tous les 80 ans, avec une distance moyenne d’environ 11 fois la distance entre la Terre et le soleil. Crédit : NASA/ESA/Hubble

Des astronomes ont découvert que les jeunes étoiles supermassives situées à proximité du trou noir de la Voie lactée sont uniques et non binaires, ce qui va à l’encontre de la formation normale d’étoiles supermassives. L’environnement extrême du trou noir provoque la fusion ou la dislocation de ces binaires stellaires, ce qui entraîne une diminution du nombre de paires binaires par rapport à des étoiles similaires situées près de la Terre. Cela suggère l’influence du trou noir sur la production d’ondes gravitationnelles et la création d’étoiles hypervéloces.

  • Les scientifiques de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA) et de l’Observatoire W. M. Keck ont analysé plus d’une décennie de données concernant 16 jeunes étoiles supermassives en orbite autour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée.
  • Les étoiles supermassives se forment généralement par paires, mais la nouvelle étude a révélé que les 16 étoiles étaient toutes des singletons.
  • Les résultats soutiennent un scénario dans lequel le trou noir supermassif pousse les étoiles proches à fusionner ou à être perturbées, l’une des paires étant éjectée du système.

Lorsque des étoiles supermassives naissent, elles sont presque toujours associées à un jumeau, et les deux étoiles sont normalement en orbite l’une autour de l’autre.

Mais des astronomes du groupe du centre galactique de l’UCLA et de l’observatoire Keck ont analysé plus d’une décennie de données concernant 16 jeunes étoiles supermassives en orbite autour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Leurs résultats, publiés récemment dans l’Astrophysical Journal, révèlent une conclusion surprenante : Toutes ces étoiles sont des singletons.

Mais pourquoi ? Les étoiles, qui sont environ 10 fois plus grandes que notre soleil, se forment-elles seules dans l’environnement hostile du trou noir ? Leurs « jumelles » ont-elles été expulsées par le trou noir ? Ou bien les paires d’étoiles ont-elles fusionné pour former des étoiles uniques ?

Les résultats soutiennent un scénario dans lequel le trou noir supermassif central pousse les binaires stellaires proches à fusionner ou à être perturbées, l’une des paires étant éjectée du système.

Les étoiles observées par les scientifiques sont connues sous le nom d’étoiles S. La plupart d’entre elles sont jeunes – formées au cours des 6 derniers millions d’années – et massives. Elles sont pour la plupart situées à moins d’un mois-lumière, soit un peu moins de 500 milliards de kilomètres, du trou noir.

« Des étoiles aussi jeunes ne devraient même pas se trouver à proximité du trou noir », a déclaré Devin Chu, chercheur postdoctoral à l’UCLA et premier auteur de l’étude. « Elles n’auraient pas pu migrer vers cette région en seulement 6 millions d’années. Mais la formation d’une étoile dans un environnement aussi hostile est surprenante ».

Chu et ses collègues ont utilisé les données prises par les instruments d’optique adaptative du Keck pour effectuer la toute première recherche d’étoiles binaires spectroscopiques parmi les étoiles S. Les étoiles binaires spectroscopiques apparaissent dans les télescopes optiques comme des étoiles uniques mais, lorsque la lumière qu’elles émettent est analysée par les scientifiques, elles se révèlent être en fait des paires d’étoiles.

Toutes les étoiles S qui semblaient être des étoiles uniques étaient en fait seules.

Plus surprenant encore, les chercheurs ont découvert que le nombre de paires d’étoiles S susceptibles d’exister près du trou noir était bien inférieur au nombre d’étoiles comparables dans la partie de l’espace entourant le soleil de la Terre, appelée le voisinage solaire.

Pour ce faire, ils ont calculé une métrique appelée fraction binaire, qui définit le nombre d’étoiles dans une zone donnée pouvant exister par paires ; plus la fraction binaire est élevée, plus le nombre d’étoiles pouvant exister par paires est important. Des études antérieures ont montré que la fraction binaire pour les étoiles similaires aux étoiles S dans le voisinage solaire de la Terre est d’environ 70 %. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont constaté qu’à proximité du trou noir de la Voie lactée, la limite supérieure n’est que de 47 %, ce qui suggère que l’environnement extrême du trou noir limite la survie des binaires stellaires.

« Cette différence témoigne de l’environnement incroyablement intéressant du centre de notre galaxie ; il ne s’agit pas d’un environnement normal », a déclaré M. Chu. « Cela suggère également que le trou noir pousse ces étoiles binaires proches à fusionner ou à être perturbées, ce qui a des implications importantes pour la production d’ondes gravitationnelles et d’étoiles hypervéloces éjectées du centre galactique. »

Les chercheurs de l’UCLA prévoient maintenant d’étudier comment la limite de la fraction binaire qu’ils ont calculée se compare à la fraction binaire pour des étoiles similaires situées plus loin du trou noir, mais toujours sous son influence gravitationnelle.

Référence : « Evidence of a Decreased Binary Fraction for Massive Stars within 20 milliparsecs of the Supermassive Black Hole at the Galactic Center » par Devin S. Chu, Tuan Do, Andrea Ghez, Abhimat K. Gautam, Anna Ciurlo, Kelly Kosmo O’neil, Matthew W. Hosek Jr, Aurélien Hees, Smadar Naoz, Shoko Sakai, Jessica R. Lu, Zhuo Chen, Rory O. Bentley, Eric E. Becklin et Keith Matthews, 11 mai 2023, Astrophysical Journal.
DOI : 10.3847/1538-4357/acc93e