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Un mystérieux émetteur cosmique de rayons X révèle sa nature magnétique

1er mai 2006

Notre Soleil, malgré ses taches, ses éruptions et son vent, est une étoile plutôt calme. En comparaison, les étoiles beaucoup plus massives vivent intensément et meurent très jeunes ; elles sont si chaudes en surface qu’elles rayonnent à elles seules plusieurs millions de fois l’énergie lumineuse du Soleil. Tau Scorpii est l’une de ces étoiles massives ; éjectant de grandes quantités de matière sous forme de vent stellaire, cette étoile est une source très intense de rayons X, dont l’origine mystérieuse vient d’être élucidée. Une équipe internationale

Notre Soleil, malgré ses taches, ses éruptions et son vent, est une étoile plutÃ´t calme. En comparaison, les étoiles beaucoup plus massives vivent intensément et meurent très jeunes ; elles sont si chaudes en surface qu’elles rayonnent à elles seules plusieurs millions de fois l’énergie lumineuse du Soleil. Tau Scorpii est l’une de ces étoiles massives ; éjectant de grandes quantités de matière sous forme de vent stellaire, cette étoile est une source très intense de rayons X, dont l’origine mystérieuse vient d’être élucidée. Une équipe internationale[1] conduite par un chercheur de l’Observatoire Midi-PyrÃ©nÃ©es et comprenant des chercheurs de l’Observatoire de Paris, a observé tau Scorpii avec le spectropolarimètre ESPaDOnS[2] équipant le télescope Canada-France-Hawaii[3]. Ils ont pu observer, pour la première fois, le réseau complexe de lignes de champ magnétique de cette étoile. Il serait à l’origine de bouffées de plasma très chaud, créées par collisions, qui produiraient ainsi le rayonnement X de tau Scorpii.

Le réseau complexe de lignes de champ magnétique récemment découvert à la surface de l’étoile massive tau Scorpii. En cliquant sur l’image, une animation (10 Mo) illustre comment l’étoile apparaît à l’observateur au cours de sa rotation. &copy MM Jardine & JF Donati Les étoiles massives sont si brillantes qu’elles parviennent à expulser les couches superficielles de leur atmosphère sous la seule pression de la lumière qu’elles émettent - c’est ce qu’on appelle un ’vent stellaire’. Ce vent joue un rôle déterminant sur l’avenir de l’étoile ; de plus, la matière ainsi expulsée peut non seulement interagir avec d’autres étoiles proches, mais aussi alimenter le milieu interstellaire en matière et en énergie, ou encore provoquer l’effondrement de nuages avoisinants et induire ainsi de nouvelles poussées de formation stellaire. A ce titre, les étoiles massives sont des acteurs de premier plan dans la vie d’une galaxie. Tau Scorpii est l’une de ces étoiles massives ; elle est si lumineuse qu’elle est facilement visible à l’oeil nu malgré sa distance de plus de 400 années lumière. D’une masse égale à 15 fois celle du Soleil, tau Scorpii est aussi 5 à 6 fois plus grande et plus chaude que notre propre étoile. Dans le cosmos, ces étoiles très chaudes sont bien moins nombreuses que les étoiles comme le Soleil - tau Scorpii est en fait l’une de nos plus proches voisines très massives. Ces étoiles très chaudes émettent des rayons X, qui, d’après les scientifiques, sont produits lors de chocs supersoniques intervenant au sein du vent, sortes de gigantesques carambolages de particules cosmiques. Mais l’intensité des rayons X produits par tau Scorpii est encore bien supérieure à celle émise par la plupart des autres étoiles de même type, sans qu’aucune raison apparente n’explique cette étrange particularité. La présente découverte, qui révèle que la surface de l’étoile est couverte d’un réseau complexe de lignes de champ magnétique (voir l’image), permet de mieux comprendre l’activité inhabituelle de tau Scorpii. D’après l’équipe qui a obtenu ces résultats[1], le champ magnétique est très probablement un ’fossile’ datant de l’époque à laquelle l’étoile s’est formée. Mais la propriété la plus intéressante de ce champ magnétique est sans doute la manière dont il interagit avec le vent de l’étoile, forçant les particules du vent à suivre les lignes de champ comme des perles sur des fils. Dans ce contexte, les flots associés aux lignes de champ ’ouvertes’ (en bleu sur l’image) s’échappent librement vers l’espace, tandis que les flots associés aux boucles de champ fermées (en blanc sur l’image) restent captifs. Au sein de chacune de ces arches magnétiques, les flots en provenance des deux pieds de l’arche se rencontrent au sommet et produisent une collision frontale si colossale qu’elle parvient, grâce à l’énergie libérée lors du choc, à changer la matière expulsée par le vent en boules de plasma chauffées à plusieurs millions de degrés et confinées au sommet des boucles magnétiques. Ce modèle fournit une explication plausible et naturelle de l’émission de rayons X inhabituellement intense que tau Scorpii parvient à engendrer. Toutefois, le mécanisme par lequel le champ magnétique a réussi à freiner la vitesse de rotation de l’étoile (à moins d’un dixième de celles d’autres étoiles similaires non magnétiques) reste incertain : si les étoiles comme le Soleil peuvent en effet être freinées par leur vent magnétisé (à la manière d’un patineur qui ralentit sa rotation en écartant les bras), tau Scorpii ne perd pas sa masse assez vite pour que sa rotation ait pu être affectée au cours de sa très brève existence de ’seulement’ quelques millions d’années.

Les chercheurs ont découvert et modélisé le champ magnétique de tau Scorpii en détectant et en analysant les minuscules signaux polarisés que les champs induisent dans la lumière des étoiles magnétiques ; pour ces mesures, ils ont utilisé ESPaDOnS[2], l’instrument le plus performant au monde pour mener ce type d’étude. Ce nouvel instrument, actuellement monté au Télescope Canada-France-Hawaii[3], a été spécifiquement conçu et construit à l’Observatoire Midi-Pyrénées pour l’étude des champs magnétiques des étoiles.

Ces étoiles très chaudes émettent des rayons X, qui, d’après les scientifiques, sont produits lors de chocs supersoniques intervenant au sein du vent, sortes de gigantesques carambolages de particules cosmiques. Mais l’intensité des rayons X produits par tau Scorpii est encore bien supérieure à celle émise par la plupart des autres étoiles de même type, sans qu’aucune raison apparente n’explique cette étrange particularité. La présente découverte, qui révèle que la surface de l’étoile est couverte d’un réseau complexe de lignes de champ magnétique (voir l’image), permet de mieux comprendre l’activité inhabituelle de tau Scorpii. D’après l’équipe qui a obtenu ces résultats[1], le champ magnétique est très probablement un ’fossile’ datant de l’époque à laquelle l’étoile s’est formée. Mais la propriété la plus intéressante de ce champ magnétique est sans doute la manière dont il interagit avec le vent de l’étoile, forçant les particules du vent à suivre les lignes de champ comme des perles sur des fils. Dans ce contexte, les flots associés aux lignes de champ ’ouvertes’ (en bleu sur l’image) s’échappent librement vers l’espace, tandis que les flots associés aux boucles de champ fermées (en blanc sur l’image) restent captifs. Au sein de chacune de ces arches magnétiques, les flots en provenance des deux pieds de l’arche se rencontrent au sommet et produisent une collision frontale si colossale qu’elle parvient, grâce à l’énergie libérée lors du choc, à changer la matière expulsée par le vent en boules de plasma chauffées à plusieurs millions de degrés et confinées au sommet des boucles magnétiques. Ce modèle fournit une explication plausible et naturelle de l’émission de rayons X inhabituellement intense que tau Scorpii parvient à engendrer. Toutefois, le mécanisme par lequel le champ magnétique a réussi à freiner la vitesse de rotation de l’étoile (à moins d’un dixième de celles d’autres étoiles similaires non magnétiques) reste incertain : si les étoiles comme le Soleil peuvent en effet être freinées par leur vent magnétisé (à la manière d’un patineur qui ralentit sa rotation en écartant les bras), tau Scorpii ne perd pas sa masse assez vite pour que sa rotation ait pu être affectée au cours de sa très brève existence de ’seulement’ quelques millions d’années.

Les chercheurs ont découvert et modélisé le champ magnétique de tau Scorpii en détectant et en analysant les minuscules signaux polarisés que les champs induisent dans la lumière des étoiles magnétiques ; pour ces mesures, ils ont utilisé ESPaDOnS[2], l’instrument le plus performant au monde pour mener ce type d’étude. Ce nouvel instrument, actuellement monté au Télescope Canada-France-Hawaii[3], a été spécifiquement conçu et construit à l’Observatoire Midi-Pyrénées pour l’étude des champs magnétiques des étoiles.

[1] Cette équipe comprend JF Donati (Observatoire Midi-Pyrénées/LATT, CNRS/UPS, France), ID Howarth (University College London, UK), MM Jardine (University of StAndrews, UK), P Petit (Observatoire Midi-Pyrénées/LATT, CNRS/UPS, France), C Catala (Observatoire Paris-Meudon/LESIA, CNRS/UP7, France), JD Lanstreet (University of Western Ontario, Canada), JC Bouret (Observatoire de Marseille/LAM, CNRS/UdP, France), E Alecian (Observatoire Paris-Meudon/LESIA, CNRS/UP7, France), JR Barnes (University of StAndrews, UK), T Forveille (Canada-France-Hawaii Telescope Corporation, USA), F Paletou (Observatoire Midi-Pyrenees/LATT, CNRS/UPS, France) et N Manset (Canada-France-Hawaii Telescope Corporation, USA) [2] ESPaDOnS a été financé par la France (CNRS/INSU, Ministère de la Recherche, LATT, Observatoire Midi-Pyrénées, Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique, Observatoire de Paris-Meudon), le Canada (NSERC), le CFHT et l’ESA (ESTEC/RSSD). La première lumière d’ESPaDOnS au TCFH a été obtenue le 2 Sept 2004. [3] Le fonctionnement du TCFH est financé par le Canada (NSERC), la France (CNRS/INSU) et l’Université d’Hawaii.

Référence The surprising magnetic topology of tau Sco : fossil remnant or dynamo output ? J.-F. Donati, I.D. Howarth, M.M. Jardine, P. Petit, C. Catala, J.D. Landstreet, J.-C. Bouret, E. Alecian, J.R. Barnes, T. Forveille, F. Paletou, N. Manset MNRAS, 2006, sous presse

Contact Claude Catala (Observatoire de Paris, LESIA) Evelyne Alecian (Observatoire de Paris, LESIA)

Dernière modification le 22 février 2013

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Accueil > The magnetic nature of a mysterious naked-eye cosmic X-ray emitter

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The magnetic nature of a mysterious naked-eye cosmic X-ray emitter

1er mai 2006

Our Sun has its flares and spots and wind, but it’s a placid star compared to some. Stars that are much more massive live fast and die young, with blue-white, intensely hot surfaces that emit energy at a rate millions of times greater than that of the Sun. These stars are so bright that their light alone propels outflowing stellar winds - up to a billion times stronger than the solar wind - at speeds of up to one per cent of the speed of light. An international team of astronomers

Our Sun has its flares and spots and wind, but it’s a placid star compared to some. Stars that are much more massive live fast and die young, with blue-white, intensely hot surfaces that emit energy at a rate millions of times greater than that of the Sun. These stars are so bright that their light alone propels outflowing stellar winds - up to a billion times stronger than the solar wind - at speeds of up to one per cent of the speed of light. An international team of astronomers[1], led by an astronomer from Midi-PyrÃ©nÃ©es Observatory and including researchers from Paris Observatory, has discovered that one such star, the naked-eye tau Scorpii, unexpectedly hosts a complex network of magnetic field lines over its surface. Tau Sco has been known for some time to emit X-rays at an unusually high rate and to rotate slower than most otherwise similar stars. The newly-discovered magnetic field, presumably a relic from the star’s formation stage, goes some way to explaining both characteristics, although the mechanism by which the magnetic field slowed down tau Scorpii’s rotation so strongly remains mysterious.

The complex network of magnetic field lines recently discovered at the surface of the massive star tau Scorpii. Click on the image to see an animation (10 Mb) of what the observer sees as the star rotates. &copy MM Jardine & JF Donati

The processes by which hot, massive stars expel their surface layers through their strong outflowing winds have a major impact on a star’s long-term fate ; the cast-off material can also interact with other nearby stars, contribute matter and energy to the surrounding interstellar medium, and even induce bursts of new star formation. Hot massive stars are thus key actors in the life of a galaxy. One such hot star is tau Scorpii, whose intrinsic brightness is so great that it is easily visible with the naked eye despite its

distance of over 400 light-years. Weighting as much as 15 suns, tau Scorpii is both 5 to 6 times bigger and hotter than our own star. Such massive stars are relatively few compared to stars like the Sun, and

tau Scorpii is actually one of our closest massive neighbours.

Massive stars are thought to emit X-rays because of supersonic shocks occuring within their winds. However, tau Scorpii is an unusually strong X-ray source compared to otherwise similar stars, and the reason for this enhanced activity was a puzzle until the present discovery, which revealed that the star hosts a complex network of magnetic field lines over its surface (see image). According to the discovery team[1], this field is most probably a relic from the star’s formation stage. The most interesting aspect, though, is how the field interacts with the wind, forcing it to flow along magnetic field lines, like beads along wires. Wind streams along ’open’ magnetic-field lines (shown in blue) freely escape the star, something that wind streams in magnetic ’arcades’ (shown in white) cannot

achieve. The result is that, within each magnetic arcade, wind flows from both footpoints collide with each other at the loop summits, producing tremendously energetic shocks and turning the wind material into blobs of million-degree, X-ray emitting plasma tied to the magnetic loops.

This model provides a natural explanation of why tau Scorpii is such

an intense X-ray emitter. However, it is not yet clear how the magnetic field succeeded in slowing down the rotation rate of the star

to less than one-tenth that of otherwise similar, non-magnetic,

massive stars. Sun-like stars can be slowed down through their

magnetic wind, just as ice-skaters are spun down when outstretching

their arms ; tau Scorpii does not, however, lose material fast enough

to have its rotation modified within its very short lifetime of ’only’

a few million years.

The researchers discovered and examined the magnetic field of the star

by looking at the tiny, very specific polarisation signals that magnetic fields induce in the light of magnetic stars ; to do this, they used ESPaDOnS[2], by far the most powerful instrument in the world for carrying out this kind of research. This new instrument, currently attached to the Canada-France-Hawaii Telescope[3] on Hawaii, was especially designed at the Observatoire Midi-Pyrénées in France for observing and studying magnetic fields in stars other than the Sun.

[1] This team includes JF Donati (Observatoire Midi-Pyrénées/LATT, CNRS/UPS, France), ID Howarth (University College London, UK), MM Jardine (University of StAndrews, UK), P Petit (Observatoire Midi-Pyrénées/LATT, CNRS/UPS, France), C Catala (Observatoire Paris-Meudon/LESIA, CNRS/UP7, France), JD Lanstreet (University of Western Ontario, Canada), JC Bouret (Observatoire de Marseille/LAM, CNRS/UdP, France), E Alecian (Observatoire Paris-Meudon/LESIA, CNRS/UP7, France), JR Barnes (University of StAndrews, UK), T Forveille (Canada-France-Hawaii Telescope Corporation, USA), F Paletou (Observatoire Midi-Pyrenees/LATT, CNRS/UPS, France) et N Manset (Canada-France-Hawaii Telescope Corporation, USA) [2] ESPaDOnS has been financed by France (CNRS/INSU, Ministère de la Recherche, LATT, Observatoire Midi-Pyrénées, Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique, Observatoire de Paris-Meudon), Canada (NSERC), CFHT and ESA (ESTEC/RSSD). The first light of ESPaDOnS at CFHT occurred on 2 Sept 2004. [3] CFHT is operated by Canada (NSERC), France (CNRS/INSU) and Hawaii University.

Reference The surprising magnetic topology of tau Sco : fossil remnant or dynamo output ? J.-F. Donati, I.D. Howarth, M.M. Jardine, P. Petit, C. Catala, J.D. Landstreet, J.-C. Bouret, E. Alecian, J.R. Barnes, T. Forveille, F. Paletou, N. Manset MNRAS, 2006, in press

Contact Claude Catala (Observatoire de Paris, LESIA) Evelyne Alecian (Observatoire de Paris, LESIA)

Dernière modification le 4 mars 2013

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