An international collaboration led by two French astronomers, Martine Mouchet from the Paris-Meudon Observatory and Jean-Marc Bonnet-Bidaud from the Astrophysical Department of the French Atomic Energy Commission (CEA), have just uncovered a very peculiar abundance of carbon, nitrogen and oxygen, the three major elements for life, at the surface of a white dwarf in a tight couple of stars called magnetic cataclysmic variables (MCVs). The origin of this anomaly is still not fully elucidated. It may have been produced by a uncommon "quiet" nova explosion at the surface of the white dwarf but the most likely explanation lies in a peculiar evolution of the companion star. This opens new ways to produce the essential CNO elements in the Galaxy.
Cataclysmic variables : a "cannibal" white dwarf as a companion
Among binary stars, made of two stars orbiting around each other, astronomers already know that some, called cataclysmic variables, may be very peculiar. In such systems, one of the two members is not an ordinary star but a very dense star resulting from the death of a brilliant star, a "white dwarf" with the size of a planet like the Earth but with the mass of our sun. A white dwarf is so dense that its gravity is enough to pull out matter from its close-by companion. When this matter falls onto the "cannibal" white dwarf, it releases a lot of energy causing what sometimes looks like a "cataclysm", a sudden increase in the luminosity of the star. Starting from 1976, it was realized that among the most energetic of these cataclysmic variables were those containing a magnetic white dwarf, a white dwarf with a magnetic field several million times stronger than most typical stars like the sun. In this case, the matter falling from the companion is forced to follow the lines of the magnetic field and is channelled by this way through a column down to very narrow spots, the magnetic "poles" of the star. For this reason, the magnetic cataclysmic variables (MCVs), are sometimes called "polars". The same mechanism is at work on the Earth when particles from the Sun are forced to follow the much weaker Earth magnetic field lines, ending up to the North and South poles and causing the well known spectacular and colourful auroras. In the magnetic cataclysmic variables, the energy concentrated in such small regions is so high that the temperature reaches more than ten millions degrees and the aurora light is emitted mostly in X-rays, a very energetic form of light. More than 60 MCVs have already been discovered and they may represent about 10% of all the binary systems containing a white dwarf in a close orbit.
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An artistic view of a magnetic cataclysmic variable :
matter from a companion star falls onto the poles of the white dwarf
along the field lines of the strong magnetic field. (Credit M. Garlick)
An overabundance of nitrogen
The discovery of an anomaly in the element abundances among some MCVs came in 1987 when J.M. Bonnet-Bidaud and M. Mouchet obtained the first ultraviolet observations of the source BY Cam (a MCV located at an approximate distance of 800 light-years in the Camelopardalis-Giraffe constellation) with the NASA/ESA IUE satellite. The spectrum of the source revealed a very strong emission "line", an excess of light at a given energy characteristic of nitrogen. Astronomers consider that these strong lines are produced when the matter falling to the white dwarf is deeply irradiated by the X-ray flux emerging from the poles of the star. Atoms illuminated by the powerful X-ray light are forced to loose some of their electrons, when they recombine or recapture their electrons they emit light at a given energy, different for each atom. The strongest lines for the CNO (carbon, nitrogen, oxygen) elements appear in the ultraviolet and X-ray light. The IUE spectrum was sufficient to determine that the nitrogen line was about ten times stronger than in any other sources while another important carbon line was simultaneously much weaker. But the astronomers had to wait till the advent of a new satellite, FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer), operating in the far-ultraviolet to be able to reach an important line of the oxygen element and to carefully compute for the first time the balance between the three CNO elements.
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The FUSE
satellite,
one of the first missions observing the far-ultraviolet light
and a collaboration between U.S.A., Canada and France (CNES).
The far-ultraviolet spectrum of the
source BY Cam, obtained with the FUSE satellite after a 6h
observation, has
allowed to measure for the first time important lines of oxygen and nitrogen (click to
enlarge the image)
The exact measure of the abundances is normally a very difficult task since for each of the many elements, one has to consider all possible levels of excitation. To do the job, the astronomers have made use of a powerful tool called a "plasma code", a complex computer program including thousands of atomic data on each element. The program called "CLOUDY" was developed at the University of Pennsylvania, for a simple homogeneous medium and a very simple geometry. In the context of the present work, it had to be deeply adapted to the complex shape of the falling stream of gas where the density of the gas is strongly variable. The astronomers were then able to reproduce the intensity of the lines in different conditions. First they checked if the abnormal intensities of the lines could be the effect of an unexpected specific irradiation but they were forced to conclude that the only way to produce the lines was by changing significantly the proportion of the different chemical elements in the gas. Compared to the "universal" abundances which are representative of the "normal" matter in the Universe, the amount of nitrogen (N) had to be multiplied by 25, the carbon (C) divided by 8 and the oxygen (O) only slightly lowered by a factor 2. This is the first quantitative measure and the results are totally unexpected. So large differences are rarely observed in stars and this opens new questions on the origin of the CNO elements.
The CNO factory
In the context of the Big Bang model, only very few elements are produced at the beginning of the Universe, mainly hydrogen, helium and a tiny fraction of the lightest elements lithium, beryllium and boron and therefore life could not exist at that stage. It was only in 1957, with the reference work of Burbidge, Burbidge, Fowler and Hoyle, a "bible" of more than hundred pages, known as BBFH and still widely accepted, that it was demonstrated that all the other elements are cooked into stars and later re-injected into space. This is the reason why life can be considered as made of "stardust". The most abundant atoms are the three CNO elements which represent more than 3/4 of all the elements, apart from hydrogen and helium. Their formation is however very different. While carbon and oxygen are produced directly by fusion reactions into stars (carbon is for instance the result of the fusion of two helium), nitrogen is only a secondary product. It is synthetized in a by-product reaction of the fusion of hydrogen into helium called the "CNO cycle", during which part of the existing carbon (C) (and to less extent oxygen O) is transmuted into nitrogen (N). The measure of the abundances in MCVs which shows an overabundance of N together with an underabundance of C (and also O) is totally in line with an origin in a very efficient CNO cycle. The question remains however to find the place where these reactions could have taken place.
cnobycam_fig3.gif
The "universal" cosmic abundances (shown in
logarithmic scale). Apart
from hydrogen and helium, the CNO elements are the most abundant
species but their exact origin in the Galaxy are still unclear (click
the image to enlarge).
The first hypothesis was to consider the fusion of freshly deposited hydrogen at the surface of the white dwarf. Such reactions are however very violent and end up with an explosion know as a "nova", with a sudden brightening followed by an expulsion of gas, leaving behind a very hot white dwarf, with a temperature of the order of 1000 000 degres. This is probably not the case in BY Cam for which no such record exists and which has a rather "cool" temperature of 22 000 degrees. Moreover, recent observations done with the Hubble Space Telescope have now also shown that the same abundance anomaly is probably found at the surface of several other MCVs such as MN Hya and V1309 Ori. Though a quiet "nova" explosion is still a plausible explanation, it can hardly happen so often as to affect a significant fraction of the MCVs. Instead a more general alternate explanation is now emerging. Recent observations with the european X-ray satellite XMM have just shown that a few other very different binary systems also show an overabundance of nitrogen. This is the case for a source called Her X-1, a well known binary system where the compact star is a neutron star as well as another source, XTE J118+480 which is suspected to harbour a black hole. It is therefore more probable that the peculiar CNO abundances are linked to a particular evolution of the companion star. The elements are normally produced well inside the star and shielded by the outer layers. They can be made visible only if they have been efficiently brought from the core to the surface by an unknown mechanism or if the outer layers were totally lost. The two hypothesis are actively studied. As the majority of stars are in binary system, these mechanisms which have been so far neglected can lead to a significative revision of the origin of CNO in the Galaxy.
An international collaboration led by two French astronomers, Martine Mouchet from the Paris-Meudon Observatory and Jean-Marc Bonnet-Bidaud from the Astrophysical Department of the French Atomic Energy Commission (CEA), have just uncovered a very peculiar abundance of carbon, nitrogen and oxygen, the three major elements for life, at the surface of a white dwarf in a tight couple of stars called magnetic cataclysmic variables (MCVs). The origin of this anomaly is still not fully elucidated. It may have been produced by a uncommon "quiet" nova explosion at the surface of the white dwarf but the most likely explanation lies in a peculiar evolution of the companion star. This opens new ways to produce the essential CNO elements in the Galaxy.
Cataclysmic variables : a "cannibal" white dwarf as a companion
Among binary stars, made of two stars orbiting around each other, astronomers already know that some, called cataclysmic variables, may be very peculiar. In such systems, one of the two members is not an ordinary star but a very dense star resulting from the death of a brilliant star, a "white dwarf" with the size of a planet like the Earth but with the mass of our sun. A white dwarf is so dense that its gravity is enough to pull out matter from its close-by companion. When this matter falls onto the "cannibal" white dwarf, it releases a lot of energy causing what sometimes looks like a "cataclysm", a sudden increase in the luminosity of the star. Starting from 1976, it was realized that among the most energetic of these cataclysmic variables were those containing a magnetic white dwarf, a white dwarf with a magnetic field several million times stronger than most typical stars like the sun. In this case, the matter falling from the companion is forced to follow the lines of the magnetic field and is channelled by this way through a column down to very narrow spots, the magnetic "poles" of the star. For this reason, the magnetic cataclysmic variables (MCVs), are sometimes called "polars". The same mechanism is at work on the Earth when particles from the Sun are forced to follow the much weaker Earth magnetic field lines, ending up to the North and South poles and causing the well known spectacular and colourful auroras. In the magnetic cataclysmic variables, the energy concentrated in such small regions is so high that the temperature reaches more than ten millions degrees and the aurora light is emitted mostly in X-rays, a very energetic form of light. More than 60 MCVs have already been discovered and they may represent about 10% of all the binary systems containing a white dwarf in a close orbit. An artistic view of a magnetic cataclysmic variable :
matter from a companion star falls onto the poles of the white dwarf
along the field lines of the strong magnetic field. (Credit M. Garlick)The discovery of an anomaly in the element abundances among some MCVs came in 1987 when J.M. Bonnet-Bidaud and M. Mouchet obtained the first ultraviolet observations of the source BY Cam (a MCV located at an approximate distance of 800 light-years in the Camelopardalis-Giraffe constellation) with the NASA/ESA IUE satellite. The spectrum of the source revealed a very strong emission "line", an excess of light at a given energy characteristic of nitrogen. Astronomers consider that these strong lines are produced when the matter falling to the white dwarf is deeply irradiated by the X-ray flux emerging from the poles of the star. Atoms illuminated by the powerful X-ray light are forced to loose some of their electrons, when they recombine or recapture their electrons they emit light at a given energy, different for each atom. The strongest lines for the CNO (carbon, nitrogen, oxygen) elements appear in the ultraviolet and X-ray light. The IUE spectrum was sufficient to determine that the nitrogen line was about ten times stronger than in any other sources while another important carbon line was simultaneously much weaker. But the astronomers had to wait till the advent of a new satellite, FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer), operating in the far-ultraviolet to be able to reach an important line of the oxygen element and to carefully compute for the first time the balance between the three CNO elements.
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The FUSE
satellite,
one of the first missions observing the far-ultraviolet light
and a collaboration between U.S.A., Canada and France (CNES).
The far-ultraviolet spectrum of the
source BY Cam, obtained with the FUSE satellite after a 6h
observation, has
allowed to measure for the first time important lines of oxygen and nitrogen (click to
enlarge the image)
The far-ultraviolet spectrum of the
source BY Cam, obtained with the FUSE satellite after a 6h
observation, has
allowed to measure for the first time important lines of oxygen and nitrogen (click to
enlarge the image)The exact measure of the abundances is normally a very difficult task since for each of the many elements, one has to consider all possible levels of excitation. To do the job, the astronomers have made use of a powerful tool called a "plasma code", a complex computer program including thousands of atomic data on each element. The program called "CLOUDY" was developed at the University of Pennsylvania, for a simple homogeneous medium and a very simple geometry. In the context of the present work, it had to be deeply adapted to the complex shape of the falling stream of gas where the density of the gas is strongly variable. The astronomers were then able to reproduce the intensity of the lines in different conditions. First they checked if the abnormal intensities of the lines could be the effect of an unexpected specific irradiation but they were forced to conclude that the only way to produce the lines was by changing significantly the proportion of the different chemical elements in the gas. Compared to the "universal" abundances which are representative of the "normal" matter in the Universe, the amount of nitrogen (N) had to be multiplied by 25, the carbon (C) divided by 8 and the oxygen (O) only slightly lowered by a factor 2. This is the first quantitative measure and the results are totally unexpected. So large differences are rarely observed in stars and this opens new questions on the origin of the CNO elements. In the context of the Big Bang model, only very few elements are produced at the beginning of the Universe, mainly hydrogen, helium and a tiny fraction of the lightest elements lithium, beryllium and boron and therefore life could not exist at that stage. It was only in 1957, with the reference work of Burbidge, Burbidge, Fowler and Hoyle, a "bible" of more than hundred pages, known as BBFH and still widely accepted, that it was demonstrated that all the other elements are cooked into stars and later re-injected into space. This is the reason why life can be considered as made of "stardust". The most abundant atoms are the three CNO elements which represent more than 3/4 of all the elements, apart from hydrogen and helium. Their formation is however very different. While carbon and oxygen are produced directly by fusion reactions into stars (carbon is for instance the result of the fusion of two helium), nitrogen is only a secondary product. It is synthetized in a by-product reaction of the fusion of hydrogen into helium called the "CNO cycle", during which part of the existing carbon (C) (and to less extent oxygen O) is transmuted into nitrogen (N). The measure of the abundances in MCVs which shows an overabundance of N together with an underabundance of C (and also O) is totally in line with an origin in a very efficient CNO cycle. The question remains however to find the place where these reactions could have taken place. The "universal" cosmic abundances (shown in
logarithmic scale). Apart
from hydrogen and helium, the CNO elements are the most abundant
species but their exact origin in the Galaxy are still unclear (click
the image to enlarge).
The first hypothesis was to consider the fusion of freshly deposited hydrogen at the surface of the white dwarf. Such reactions are however very violent and end up with an explosion know as a "nova", with a sudden brightening followed by an expulsion of gas, leaving behind a very hot white dwarf, with a temperature of the order of 1000 000 degres. This is probably not the case in BY Cam for which no such record exists and which has a rather "cool" temperature of 22 000 degrees. Moreover, recent observations done with the Hubble Space Telescope have now also shown that the same abundance anomaly is probably found at the surface of several other MCVs such as MN Hya and V1309 Ori. Though a quiet "nova" explosion is still a plausible explanation, it can hardly happen so often as to affect a significant fraction of the MCVs. Instead a more general alternate explanation is now emerging. Recent observations with the european X-ray satellite XMM have just shown that a few other very different binary systems also show an overabundance of nitrogen. This is the case for a source called Her X-1, a well known binary system where the compact star is a neutron star as well as another source, XTE J118+480 which is suspected to harbour a black hole. It is therefore more probable that the peculiar CNO abundances are linked to a particular evolution of the companion star. The elements are normally produced well inside the star and shielded by the outer layers. They can be made visible only if they have been efficiently brought from the core to the surface by an unknown mechanism or if the outer layers were totally lost. The two hypothesis are actively studied. As the majority of stars are in binary system, these mechanisms which have been so far neglected can lead to a significative revision of the origin of CNO in the Galaxy. Publications "The CNO problem in magnetic cataclysmic variables" J.M. Bonnet-Bidaud & M. Mouchet (2003) in "Magnetic Cataclysmic Variables", IAU Col. 190, Capetown, Eds. : M. Cropper & S. Vrielmann (e-print astro-ph/0302158). "The surprising Far-UV spectrum of the polar BY Camelopardalis" (*) M. Mouchet, J.M. Bonnet-Bidaud, E. Roueff, K. Beuermann, D. De Martino, J.M. Desert, R. Ferlet, R. E. Fried, B.T. Gaensicke, S.B. Howell, K. Mukai, D. Porquet, P. Szkody (2003), Astronomy & Astrophysics (in press) (e-print astro-ph/0302312). "Far-UV FUSE spectra of peculiar magnetic cataclysmic variables" (*) M. Mouchet, J.M. Bonnet-Bidaud, E. Roueff, M. Abada-Simon, K. Beuermann, D. de Martino, J.M. Desert, R. Ferlet, R. Fried, B. Gaensicke, S. Howell, K.Mukai, D. Porquet, P. Szkody (2003) in "Magnetic Cataclysmic Variables", IAU Col. 190, Capetown, Eds. : M. Cropper & S. Vrielmann (e-print astro-ph/0302319).(*) This work is a collaboration between Paris-Meudon Observatory (F), Astrophysical Department of CEA(F), Paris Institute of Astrophysics (F), Sternwarte Göttingen(D), Osservatorio di Napoli(I), Braedside Observatory(USA), Dept of Astronomy Southampton (GB), Astrophysics Group Tucson (USA), NASA Goddard (USA), Max-Plank Garching (D), Astronomy Dept Seattle(USA)
| Contacts Martine Mouchet
(Paris Observatory (LUTH), University Paris 7)
Jean-Marc Bonnet-Bidaud(Astrophysical
Department -CEA)
|
Dernière modification le 4 mars 2013
Accueil
> Surabondance d’azote dans des couples cataclysmiques
Surabondance d’azote dans des couples cataclysmiques
1er mars 2003
Une collaboration internationale, conduite par Martine Mouchet de l’Observatoire de Paris-Meudon et Jean-Marc Bonnet-Bidaud du Service d’Astrophysique du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), vient de découvrir une abondance très particulière de carbone, azote et oxygène, les trois éléments majeurs de la vie, à la surface d’une naine blanche dans un couple serré d’étoiles désigné sous le nom de variables cataclysmiques magnétiques (MCVs). L’origine de cette anomalie n’est pas totalement élucidée. Elle pourrait avoir été produite par une explosion inhabituelle de type "nova silencieuse" mais son origine est plus probablement liée à une évolution particulière de l’étoile compagnon. Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour la production de ces éléments essentiels dans la Galaxie.
Les variables cataclysmiques : une naine blanche "cannibale" pour compagnon
Parmi les systèmes binaires constitués de deux étoiles tournant l’une autour de l’autre, les astronomes savent que certains appelés "variables cataclysmiques" peuvent être très particuliers. Dans ces couples, l’un des deux membres n’est pas une étoile ordinaire mais un astre très dense, résultant de l’explosion d’une étoile plus massive. Cet astre baptisé "naine blanche" a la taille d’une planète comme la Terre mais une masse équivalente à celle du Soleil. Une naine blanche est si dense que sa gravité est capable d’aspirer la matière de son compagnon proche. Quand cette matière tombe sur la naine blanche "cannibale", elle s’échauffe fortement et rayonne une énergie importante qui apparait parfois comme un "cataclysme", une brutale augmentation de la luminosité de l’étoile. A partir de 1976, les scientifiques ont découvert que parmi les plus lumineuses de ces variables cataclysmiques figuraient des couples contenant une naine blanche fortement magnétique, avec un champ magnétique pouvant atteindre plusieurs centaines de millions de fois celui d’étoiles ordinaires comme le Soleil. Dans ce cas, la matière provenant du compagnon est contrainte de suivre les lignes de champ magnétique. En tombant, elle est ainsi canalisée dans une colonne qui aboutit sur une zone très réduite de la naine blanche, ses "pôles magnétiques". Pour cette raison les variables cataclysmiques magnétiques (MCVs) sont parfois appelés "polaires". Le même mécanisme est à l’oeuvre sur notre planète lorsque les particules solaires, canalisées par le champ magnétique terrestre, aboutissent sur les pôles Nord et Sud en créant les aurores polaires, spectaculaires et colorées.Dans le cas des variables cataclysmiques magnétiques, l’énergie concentrée sur les pôles est si élevée que la température atteint plus de dix millions de degrés et la lumière des aurores est émise non pas en lumière visible mais sous forme de très puissants rayons X.
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Vision d’artiste d’une variable cataclysmique
magnétique : la matière de l’étoile compagnon tombe le long des
lignes d’un fort champ magnétique sur les pôles d’une naine
blanche. (Crédit M. Garlick)
Une surabondance d’azote
La présence d’une anomalie d’abondance des éléments parmi les MCVs a été démontrée pour la première fois en 1987 lorsque J.M. Bonnet-Bidaud et M. Mouchet ont obtenu le premier spectre ultraviolet de la source BY Cam (une MCV située à une distance d’environ 800 années-lumière dans la constellation de Camelopardalis, la Girafe) grâce au satellite NASA/ESA IUE. Le spectre de la source a révélé une très forte raie d’émission, un excès de lumière à une énergie caractéristique de l’azote. Les astronomes considèrent que ces raies sont produites lorsque la matière tombant sur la naine blanche est fortement irradiée par le flux de rayons X provenant des pôles magnétiques. Les atomes illuminés par les rayons X perdent certains de leurs électrons. Lorsqu’ils se recombinent ou recapturent ces électrons, ils émettent de la lumière à une énergie différente pour chaque atome. Les raies les plus intenses des éléments CNO (carbone, azote, oxygène) apparaissent dans l’ultraviolet ou les rayons X. Le spectre IUE a permis de déterminer que la raie de l’azote de BY Cam était environ dix fois plus intense que pour toutes les autres sources tandis qu’une importante raie de carbone était simultanément beaucoup plus faible. Mais les astronomes ont dà » attendre la mise en service d’un nouveau satellite, FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer), observant dans l’ultraviolet lointain pour atteindre une raie essentielle de l’oxygène et pouvoir faire ainsi le premier bilan complet des trois éléments CNO.
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Le satellite
FUSE,
un des premiers satellites observant dans l’ultraviolet
lointain, fruit d’une collaboration entre les Etats-Unis, le
Canada et la France (CNES).
Le spectre de la source BY Cam,
obtenu dans l’ultraviolet lointain avec le satellite FUSE après
une observation de 6h, a permis de mesurer pour la
première fois d’importantes
raies des éléments oxygène et azote ( cliquer sur l’image pour l’agrandir).
La mesure exacte des abondances est en général une tâche très difficile car pour chacun des nombreux éléments chimiques, il est nécessaire de considérer tous les niveaux possibles d’excitation. Pour réaliser cette mesure, les astronomes ont utilisé un outil très puissant appelé "code de plasma", un programme d’ordinateur complexe contenant des milliers de données atomiques sur chaque élément. Le programme baptisé "CLOUDY" a été développé à l’université de Pennsylvanie (USA) pour des milieux homogènes et des géométries très simples. Dans le cadre des travaux présentés ici, il a du être profondément adapté pour pouvoir être appliqué à la forme très complexe du flot de gaz tombant sur la naine blanche dans lequel la densité varie très fortement. Les astronomes ont alors pu reproduire l’intensité des différentes raies dans des conditions très différentes. Tout d’abord ils ont vérifié si l’intensité très particulière des raies observées ne pouvait pas être produite par une irradiation particulière inhabituelle mais ils ont du constater que la seule façon de produire ces raies était de modifier considérablement les abondances de certains éléments. Comparée aux abondances "universelles" qui caractérisent la matière "ordinaire" dans l’Univers, la quantité d’azote (N) a du être multipliée par 25, celle du carbone divisée par 8 et de l’oxygène (O) diminuée par 2. Les résultats de cette première mesure quantitative des éléments sont totalement inattendus. De si importantes différences sont rarement observées dans les étoiles et elles ouvrent de nouvelles questions sur l’origine des éléments CNO.
La fabrique de CNO
Dans le cadre du modèle du Big Bang, seul un très petit nombre d’éléments différents sont produits au début de l’expansion, principalement l’hydrogène, l’hélium et une fraction d’éléments très légers, lithium, beryllium et bore. La vie ne pouvait donc pas apparaitre à ce stade. C’est seulement en 1957, avec un article de référence de Burbidge, Burbidge, Fowler et Hoyle, une "bible" de plus de cent pages, connue sous le nom de BBFH et toujours largement valide, qu’a été établi que tous les autres éléments chimiques sont fabriqués au coeur des étoiles pour être plus tard ejectés dans l’espace, nous rendant ainsi constitués de "poussières" d’étoiles. Les éléments les plus abondants ainsi produits sont le carbone, l’azote et l’oxygène, les composants essentiels de la vie, qui représentent plus de 3/4 de tous les éléments en dehors de l’hydrogène et l’hélium. Leur formation est très différente. Alors que le carbone et l’oxygène sont produits directement par les réactions de fusion dans les étoiles (le carbone est ainsi le résultat de la fusion de deux héliums), l’azote est un produit secondaire. Il est synthétisé comme un sous-produit de la fusion d’hydrogène en hélium à travers une chaîne de réactions particulières appelée "cycle CNO", dans lequel une partie du carbone (C) existant (et une petite partie de l’oxygène O) est transmutée en azote (N). Les abondances observées dans les MCVs, avec simultanément sur-abondance de (N) et sous-abondance de C (et de O), sont donc totalement en accord avec un cycle CNO très efficace. Il reste néanmoins à trouver où et comment ces réactions peuvent s’être déroulées.
cnobycam_fig3.gif
Les abondances cosmiques "universelles" (portées
selon une échelle logarithmique). En
dehors de l’hydrogène et de l’hélium, les éléments CNO sont
les espèces les plus abondantes mais leurs sources exactes dans la
Galaxie sont encore mal connues (cliquer sur l’image pour l’agrandir).
La première hypothèse a été de considérer la fusion de l’hydrogène fraîchement déposé à la surface de la naine blanche. Mais ces réactions sont très violentes et aboutissent en général à une explosion dite de "nova" qui se traduit par une augmentation très importante de luminosité, suivi d’une expulsion du gaz, laissant derrière elle une naine blanche très chaude, avec une température de l’ordre de 100 000 degrés. Ce n’est probablement pas le cas pour la source BY Cam pour laquelle aucune observation de ce type a pu être enregistrée et qui est relativement "froide" avec une température de 22 000 degrés. Des observations récentes, obtenues avec le télescope spatial Hubble, ont d’autre part montré que les mêmes anomalies d’abondances sont très probablement présentes dans d’autres MCVs comme MN Hya et V1309 Ori. Une explosion "silencieuse" de nova, passée inapercue, pourrait être une explication possible mais il est peu probable qu’un phénomène aussi particulier puisse avoir affecté une fraction significative des MCVs. Une autre explication est au contraire en train d’émerger. Des observations en rayons X avec le satellite européen XMM (X-ray Multi-Mirror Mission) viennent en effet de montrer que d’autres systèmes binaires très différents montrent également une importante surabondance d’azote. C’est en particulier le cas pour la source Her X-1, un système binaire bien connu dans lequel l’objet compact est une étoile à neutrons tout aussi bien que pour la source XTE J118+480 qui est soupçonnée abriter un trou noir. Il est donc plus probable que les abondances anormales proviennent d’une évolution particulière de l’étoile compagnon. Les éléments sont normalement produits profondément à l’intérieur de l’étoile et masqués par les couches plus extérieures. Ils ne peuvent être rendus visibles que s’ils sont amenés du coeur vers la surface par un mécanisme très efficace inconnu ou si les couches extérieures sont perdues par l’étoile. Les deux hypothèses sont actuellement activement étudiées. La majorité des étoiles étant dans des systèmes doubles ou multiples, ces mécanismes qui ont été jusqu’ici négligés pourraient donc amener à une révision significative de l’origine des éléments CNO dans la Galaxie.
Une collaboration internationale, conduite par Martine Mouchet de l’Observatoire de Paris-Meudon et Jean-Marc Bonnet-Bidaud du Service d’Astrophysique du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), vient de découvrir une abondance très particulière de carbone, azote et oxygène, les trois éléments majeurs de la vie, à la surface d’une naine blanche dans un couple serré d’étoiles désigné sous le nom de variables cataclysmiques magnétiques (MCVs). L’origine de cette anomalie n’est pas totalement élucidée. Elle pourrait avoir été produite par une explosion inhabituelle de type "nova silencieuse" mais son origine est plus probablement liée à une évolution particulière de l’étoile compagnon. Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour la production de ces éléments essentiels dans la Galaxie.
Les variables cataclysmiques : une naine blanche "cannibale" pour compagnon
Parmi les systèmes binaires constitués de deux étoiles tournant l’une autour de l’autre, les astronomes savent que certains appelés "variables cataclysmiques" peuvent être très particuliers. Dans ces couples, l’un des deux membres n’est pas une étoile ordinaire mais un astre très dense, résultant de l’explosion d’une étoile plus massive. Cet astre baptisé "naine blanche" a la taille d’une planète comme la Terre mais une masse équivalente à celle du Soleil. Une naine blanche est si dense que sa gravité est capable d’aspirer la matière de son compagnon proche. Quand cette matière tombe sur la naine blanche "cannibale", elle s’échauffe fortement et rayonne une énergie importante qui apparait parfois comme un "cataclysme", une brutale augmentation de la luminosité de l’étoile. A partir de 1976, les scientifiques ont découvert que parmi les plus lumineuses de ces variables cataclysmiques figuraient des couples contenant une naine blanche fortement magnétique, avec un champ magnétique pouvant atteindre plusieurs centaines de millions de fois celui d’étoiles ordinaires comme le Soleil. Dans ce cas, la matière provenant du compagnon est contrainte de suivre les lignes de champ magnétique. En tombant, elle est ainsi canalisée dans une colonne qui aboutit sur une zone très réduite de la naine blanche, ses "pôles magnétiques". Pour cette raison les variables cataclysmiques magnétiques (MCVs) sont parfois appelés "polaires". Le même mécanisme est à l’oeuvre sur notre planète lorsque les particules solaires, canalisées par le champ magnétique terrestre, aboutissent sur les pôles Nord et Sud en créant les aurores polaires, spectaculaires et colorées.Dans le cas des variables cataclysmiques magnétiques, l’énergie concentrée sur les pôles est si élevée que la température atteint plus de dix millions de degrés et la lumière des aurores est émise non pas en lumière visible mais sous forme de très puissants rayons X. Vision d’artiste d’une variable cataclysmique
magnétique : la matière de l’étoile compagnon tombe le long des
lignes d’un fort champ magnétique sur les pôles d’une naine
blanche. (Crédit M. Garlick)La présence d’une anomalie d’abondance des éléments parmi les MCVs a été démontrée pour la première fois en 1987 lorsque J.M. Bonnet-Bidaud et M. Mouchet ont obtenu le premier spectre ultraviolet de la source BY Cam (une MCV située à une distance d’environ 800 années-lumière dans la constellation de Camelopardalis, la Girafe) grâce au satellite NASA/ESA IUE. Le spectre de la source a révélé une très forte raie d’émission, un excès de lumière à une énergie caractéristique de l’azote. Les astronomes considèrent que ces raies sont produites lorsque la matière tombant sur la naine blanche est fortement irradiée par le flux de rayons X provenant des pôles magnétiques. Les atomes illuminés par les rayons X perdent certains de leurs électrons. Lorsqu’ils se recombinent ou recapturent ces électrons, ils émettent de la lumière à une énergie différente pour chaque atome. Les raies les plus intenses des éléments CNO (carbone, azote, oxygène) apparaissent dans l’ultraviolet ou les rayons X. Le spectre IUE a permis de déterminer que la raie de l’azote de BY Cam était environ dix fois plus intense que pour toutes les autres sources tandis qu’une importante raie de carbone était simultanément beaucoup plus faible. Mais les astronomes ont dû attendre la mise en service d’un nouveau satellite, FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer), observant dans l’ultraviolet lointain pour atteindre une raie essentielle de l’oxygène et pouvoir faire ainsi le premier bilan complet des trois éléments CNO.
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Le satellite
FUSE,
un des premiers satellites observant dans l’ultraviolet
lointain, fruit d’une collaboration entre les Etats-Unis, le
Canada et la France (CNES).
Le spectre de la source BY Cam,
obtenu dans l’ultraviolet lointain avec le satellite FUSE après
une observation de 6h, a permis de mesurer pour la
première fois d’importantes
raies des éléments oxygène et azote ( cliquer sur l’image pour l’agrandir).
Le satellite
FUSE,
un des premiers satellites observant dans l’ultraviolet
lointain, fruit d’une collaboration entre les Etats-Unis, le
Canada et la France (CNES).
Le spectre de la source BY Cam,
obtenu dans l’ultraviolet lointain avec le satellite FUSE après
une observation de 6h, a permis de mesurer pour la
première fois d’importantes
raies des éléments oxygène et azote ( cliquer sur l’image pour l’agrandir). La mesure exacte des abondances est en général une tâche très difficile car pour chacun des nombreux éléments chimiques, il est nécessaire de considérer tous les niveaux possibles d’excitation. Pour réaliser cette mesure, les astronomes ont utilisé un outil très puissant appelé "code de plasma", un programme d’ordinateur complexe contenant des milliers de données atomiques sur chaque élément. Le programme baptisé "CLOUDY" a été développé à l’université de Pennsylvanie (USA) pour des milieux homogènes et des géométries très simples. Dans le cadre des travaux présentés ici, il a du être profondément adapté pour pouvoir être appliqué à la forme très complexe du flot de gaz tombant sur la naine blanche dans lequel la densité varie très fortement. Les astronomes ont alors pu reproduire l’intensité des différentes raies dans des conditions très différentes. Tout d’abord ils ont vérifié si l’intensité très particulière des raies observées ne pouvait pas être produite par une irradiation particulière inhabituelle mais ils ont du constater que la seule façon de produire ces raies était de modifier considérablement les abondances de certains éléments. Comparée aux abondances "universelles" qui caractérisent la matière "ordinaire" dans l’Univers, la quantité d’azote (N) a du être multipliée par 25, celle du carbone divisée par 8 et de l’oxygène (O) diminuée par 2. Les résultats de cette première mesure quantitative des éléments sont totalement inattendus. De si importantes différences sont rarement observées dans les étoiles et elles ouvrent de nouvelles questions sur l’origine des éléments CNO. Dans le cadre du modèle du Big Bang, seul un très petit nombre d’éléments différents sont produits au début de l’expansion, principalement l’hydrogène, l’hélium et une fraction d’éléments très légers, lithium, beryllium et bore. La vie ne pouvait donc pas apparaitre à ce stade. C’est seulement en 1957, avec un article de référence de Burbidge, Burbidge, Fowler et Hoyle, une "bible" de plus de cent pages, connue sous le nom de BBFH et toujours largement valide, qu’a été établi que tous les autres éléments chimiques sont fabriqués au coeur des étoiles pour être plus tard ejectés dans l’espace, nous rendant ainsi constitués de "poussières" d’étoiles. Les éléments les plus abondants ainsi produits sont le carbone, l’azote et l’oxygène, les composants essentiels de la vie, qui représentent plus de 3/4 de tous les éléments en dehors de l’hydrogène et l’hélium. Leur formation est très différente. Alors que le carbone et l’oxygène sont produits directement par les réactions de fusion dans les étoiles (le carbone est ainsi le résultat de la fusion de deux héliums), l’azote est un produit secondaire. Il est synthétisé comme un sous-produit de la fusion d’hydrogène en hélium à travers une chaîne de réactions particulières appelée "cycle CNO", dans lequel une partie du carbone (C) existant (et une petite partie de l’oxygène O) est transmutée en azote (N). Les abondances observées dans les MCVs, avec simultanément sur-abondance de (N) et sous-abondance de C (et de O), sont donc totalement en accord avec un cycle CNO très efficace. Il reste néanmoins à trouver où et comment ces réactions peuvent s’être déroulées. Les abondances cosmiques "universelles" (portées
selon une échelle logarithmique). En
dehors de l’hydrogène et de l’hélium, les éléments CNO sont
les espèces les plus abondantes mais leurs sources exactes dans la
Galaxie sont encore mal connues (cliquer sur l’image pour l’agrandir).
La première hypothèse a été de considérer la fusion de l’hydrogène fraîchement déposé à la surface de la naine blanche. Mais ces réactions sont très violentes et aboutissent en général à une explosion dite de "nova" qui se traduit par une augmentation très importante de luminosité, suivi d’une expulsion du gaz, laissant derrière elle une naine blanche très chaude, avec une température de l’ordre de 100 000 degrés. Ce n’est probablement pas le cas pour la source BY Cam pour laquelle aucune observation de ce type a pu être enregistrée et qui est relativement "froide" avec une température de 22 000 degrés. Des observations récentes, obtenues avec le télescope spatial Hubble, ont d’autre part montré que les mêmes anomalies d’abondances sont très probablement présentes dans d’autres MCVs comme MN Hya et V1309 Ori. Une explosion "silencieuse" de nova, passée inapercue, pourrait être une explication possible mais il est peu probable qu’un phénomène aussi particulier puisse avoir affecté une fraction significative des MCVs. Une autre explication est au contraire en train d’émerger. Des observations en rayons X avec le satellite européen XMM (X-ray Multi-Mirror Mission) viennent en effet de montrer que d’autres systèmes binaires très différents montrent également une importante surabondance d’azote. C’est en particulier le cas pour la source Her X-1, un système binaire bien connu dans lequel l’objet compact est une étoile à neutrons tout aussi bien que pour la source XTE J118+480 qui est soupçonnée abriter un trou noir. Il est donc plus probable que les abondances anormales proviennent d’une évolution particulière de l’étoile compagnon. Les éléments sont normalement produits profondément à l’intérieur de l’étoile et masqués par les couches plus extérieures. Ils ne peuvent être rendus visibles que s’ils sont amenés du coeur vers la surface par un mécanisme très efficace inconnu ou si les couches extérieures sont perdues par l’étoile. Les deux hypothèses sont actuellement activement étudiées. La majorité des étoiles étant dans des systèmes doubles ou multiples, ces mécanismes qui ont été jusqu’ici négligés pourraient donc amener à une révision significative de l’origine des éléments CNO dans la Galaxie. Publications "The CNO problem in magnetic cataclysmic variables" J.M. Bonnet-Bidaud & M. Mouchet (2003) in "Magnetic Cataclysmic Variables", IAU Col. 190, Capetown, Eds. : M. Cropper & S. Vrielmann (e-print astro-ph/0302158). "The surprising Far-UV spectrum of the polar BY Camelopardalis"(*) M. Mouchet, J.M. Bonnet-Bidaud, E. Roueff, K. Beuermann, D. De Martino, J.M. Desert, R. Ferlet, R. E. Fried, B.T. Gaensicke, S.B. Howell, K. Mukai, D. Porquet, P. Szkody (2003), Astronomy & Astrophysics (in press) (e-print astro-ph/0302312). "Far-UV FUSE spectra of peculiar magnetic cataclysmic variables"(*) M. Mouchet, J.M. Bonnet-Bidaud, E. Roueff, M. Abada-Simon, K. Beuermann, D. de Martino, J.M. Desert, R. Ferlet, R. Fried, B. Gaensicke, S. Howell, K.Mukai, D. Porquet, P. Szkody (2003) in "Magnetic Cataclysmic Variables", IAU Col. 190, Capetown, Eds. : M. Cropper & S. Vrielmann (e-print astro-ph/0302319).(*) Ces travaux sont une collaboration entre : Observatoire Paris-Meudon (F), Service d’Astrophysique du CEA(F), Institute d’Astrophysique de Paris(F), Sternwarte Göttingen(D), Osservatorio di Napoli(I), Braedside Observatory(USA), Dept of Astronomy Southampton (GB), Astrophysics Group Tucson (USA), NASA Goddard (USA), Max-Plank Garching (D), Astronomy Dept Seattle(USA)
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