Explosion d’une étoile naine blanche observée pour la toute première fois

Vue d’artiste d’une naine blanche qui explose. Crédit : Université de Tubingen

Lorsque des étoiles comme notre Soleil manquent de carburant, elles se contractent pour former des naines blanches. Ces étoiles mortes peuvent parfois reprendre vie dans une explosion super chaude et produire une boule de feu de rayons X. Une équipe de recherche de plusieurs instituts allemands, dont l’Université de Tübingen et dirigée par la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), a maintenant observé une telle explosion de rayons X pour la toute première fois.

“C’était dans une certaine mesure une coïncidence heureuse, vraiment”, explique Ole König de l’Institut d’astronomie de la FAU dans le Dr. l’observatoire Karl Remeis à Bamberg, qui a publié un article sur cette observation dans la revue réputée Nature, en collaboration avec le Prof. dr. Jörn Wilms et une équipe de recherche de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre, de l’Université de Tübingen, de l’Universitat Politécnica de Catalunya à Barcelone et de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam. “Ces flashs de rayons X ne durent que quelques heures et sont presque impossibles à prévoir, mais l’instrument d’observation doit être pointé directement sur l’explosion au bon moment”, explique l’astrophysicien.

“Ces soi-disant novae se produisent tout le temps, mais les détecter pendant les tout premiers instants où la plupart des émissions de rayons X sont produites est vraiment difficile.” † dr. Victor Dorochenko

L’instrument dans ce cas est le télescope à rayons X eROSITA, qui est actuellement situé à un million et demi de kilomètres de la Terre et qui surveille le ciel pour les rayons X mous depuis 2019. Le 7 juillet 2020, il a mesuré des rayons X forts. rayonnement de rayons dans une zone du ciel qui avait été complètement invisible quatre heures auparavant. Lorsque le télescope à rayons X a sondé la même position dans le ciel quatre heures plus tard, le rayonnement avait disparu. Il s’ensuit que le flash de rayons X qui avait précédemment complètement surexposé le centre du détecteur a dû durer moins de huit heures.

Des explosions de rayons X comme celle-ci ont été prédites par des recherches théoriques il y a plus de 30 ans, mais n’ont jamais été observées directement jusqu’à présent. Ces boules de feu de rayons X se produisent à la surface d’étoiles qui étaient à l’origine de taille comparable au Soleil avant d’utiliser la majeure partie de leur carburant composé d’hydrogène et plus tard d’hélium au plus profond de leur noyau. Ces cadavres stellaires rétrécissent jusqu’à ce qu’il reste des “naines blanches”, qui sont de taille similaire à la Terre mais contiennent une masse qui peut être similaire à celle de notre Soleil. “Une façon d’imaginer ces proportions est de penser que le Soleil a la même taille qu’une pomme, ce qui signifie que la Terre aurait la même taille qu’une tête d’épingle en orbite autour de la pomme à une distance de 10 mètres”, explique Jörn Wilms.

“Ces soi-disant novae se produisent tout le temps, mais les détecter pendant les tout premiers instants où la plupart des émissions de rayons X sont produites est vraiment difficile”, ajoute le Dr. Victor Dorochenko de l’Université de Tübingen. « Non seulement la courte durée d’un flash est un défi, mais aussi le fait que le spectre des rayons X émis est très doux. Les rayons X mous sont peu énergétiques et facilement absorbés par le milieu interstellaire, on ne peut donc pas voir très loin dans cette bande, ce qui limite le nombre d’objets observables, que ce soit une nova ou une étoile ordinaire. Les télescopes sont normalement conçus pour être plus efficaces dans les rayons X plus durs où l’absorption est moins importante, et c’est exactement la raison pour laquelle ils rateraient un événement comme celui-ci ! Conclusions Victor Dorochenko.

Les cadavres stellaires ressemblent à des pierres précieuses

D’autre part, si vous deviez rétrécir une pomme à la taille d’une tête d’épingle, cette minuscule particule conserverait le poids relativement important de la pomme. “Une cuillère à café de matière de l’intérieur d’un[{” attribute=””>white dwarf easily has the same mass as a large truck,” Jörn Wilms continues. Since these burnt-out stars are mainly made up of oxygen and carbon, we can compare them to gigantic diamonds that are the same size as Earth floating around in space. These objects in the form of precious gems are so hot they glow white. However, the radiation is so weak that it is difficult to detect from Earth.

Unless the white dwarf is accompanied by a star that is still burning, that is, and when the enormous gravitational pull of the white dwarf draws hydrogen from the shell of the accompanying star. “In time, this hydrogen can collect to form a layer only a few meters thick on the surface of the white dwarf,” explains FAU astrophysicist Jörn Wilms. In this layer, the huge gravitational pull generates enormous pressure that is so great that it causes the star to reignite. In a chain reaction, it soon comes to a huge explosion during which the layer of hydrogen is blown off. The X-ray radiation of an explosion like this is what hit the detectors of eROSITA on July 7, 2020, producing an overexposed image.

Since these burnt-out stars are mainly made up of oxygen and carbon, we can compare them to gigantic diamonds that are the same size as Earth floating around in space.

“The physical origin of X-ray emission coming white dwarf atmospheres is relatively well understood, and we can model their spectra from first principles and in exquisite detail. Comparison of models with observations allows then to learn basic properties of these objects such as weight, size, or chemical composition” explains Dr. Valery Suleimanov from Tübingen University. “The problem in this particular case was, however, that, after 30 years with no photons we suddenly had too many, which distorted the spectral response of eROSITA, which was designed to detect millions of very faint objects rather than one but very bright” adds Victor Doroshenko.

“Using the model calculations, we originally drew up while supporting the development of the X-ray instrument, we were able to analyze the overexposed image in more detail during a complex process to gain a behind-the-scenes view of an explosion of a white dwarf, or nova,” explains Jörn Wilms.

According to the results, the white dwarf has around the mass of our Sun and is therefore relatively large. The explosion generated a fireball with a temperature of around 327,000 degrees K (588,000 degrees F), making it around sixty times hotter than the Sun. “These parameters were obtained by combining models of X-ray radiation with the models of radiation emitted by very hot white dwarfs created in Tübingen by Valery Suleimanov and Victor Doroshenko, and very deep analysis of instrument response in a regime far outside specifications carried out at FAU and MPE. I think it illustrates very nicely the importance of collaboration in modern science, and wide range of expertise within the German eROSITA consortium” adds Prof. Dr. Klaus Werner from Tübingen University.

Since these novae run out of fuel quite quickly, they cool rapidly and the X-ray radiation becomes weaker until it eventually becomes visible light, which reached Earth half a day after the eROSITA detection and was observed by optical telescopes.

“A seemingly bright star then appeared, which was actually the visible light from the explosion, and so bright that it could be seen on the night sky by the bare eye,” explains Ole König. Seemingly “new stars” such as this one have been observed in the past and were named “nova stella,” or “new star” on account of their unexpected appearance. Since these novae are only visible after the X-ray flash, it is very difficult to predict such outbreaks and it is mainly down to chance when they hit the X-ray detectors.

“We were really lucky,” says Ole König.

Reference: “X-ray detection of a nova in the fireball phase” by Ole König, Jörn Wilms, Riccardo Arcodia, Thomas Dauser, Konrad Dennerl, Victor Doroshenko, Frank Haberl, Steven Hämmerich, Christian Kirsch, Ingo Kreykenbohm, Maximilian Lorenz, Adam Malyali, Andrea Merloni, Arne Rau, Thomas Rauch, Gloria Sala, Axel Schwope, Valery Suleimanov, Philipp Weber and Klaus Werner, 11 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04635-y

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