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.
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.
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.
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.
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.
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.
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)
Contacts
- Martine Mouchet
Paris Observatory (LUTH), University Paris 7 - Jean-Marc Bonnet-Bidaud
Department -CEA
Dernière modification le 21 décembre 2021