Source: The Conversation – in French – By Yaël Nazé, Astronome FNRS à l’Institut d’astrophysique et de géophysique, Université de Liège
Découverte au début du XXe siècle, l’étoile Gamma Cassiopeiae a posé plusieurs énigmes aux astronomes. Si on comprend mieux aujourd’hui son fonctionnement, elle ouvre un pan insoupçonné du fonctionnement des astres.
Observer une étoile, voilà qui semble plutôt banal en astronomie. Aujourd’hui, on imagine davantage les énigmes cosmiques tapies dans les premiers instants de l’Univers ou sous les nuages des exoplanètes. Pourtant, une étoile visible chaque nuit recèle un mystère, enfin élucidé après cinquante ans de recherches !
Cet astre se cache au cœur de Cassiopée, une constellation en forme de W ou de M, selon son orientation cette nuit-là, et visible toute la nuit et toute l’année. Gamma Cassiopeiae – c’est son nom – est aussi appelée Navi, clin d’œil de l’astronaute Gus Grissom (Navi correspond à son deuxième prénom, Ivan à l’envers, qu’il utilisait pour la navigation). Peu connue du grand public, c’est pourtant une vedette pour les astronomes.
Il y a cent vingt ans, l’astronome italien Angelo Secchi pointe sa lunette vers cet astre pour en étudier le spectre. Le spectre d’une étoile, en général, ressemble à un arc-en-ciel, au sein duquel des raies noires apparaissent : elles correspondent aux couleurs absorbées par les différents éléments qui composent l’atmosphère de l’étoile. On peut donc retrouver sa composition en étudiant ces raies. Mais Secchi y repère une chose étrange : des raies brillantes, qui correspondent plutôt à la lumière émise, et non absorbée, par de l’hydrogène.
NOAO/AURA/NSF, CC BY
Une étoile pleine de mystères
Ce premier mystère a mis soixante-cinq ans à être résolu. L’astronome Otto Struve explique en 1931 que ces émissions inhabituelles naissent dans un disque de matière entourant l’étoile. On aurait pu croire observer ce que l’on appelle un disque d’accrétion, un disque de poussière et de gaz entourant les étoiles jeunes, à partir duquel se forment l’étoile et ses planètes. Mais ici, il s’agit en réalité d’un disque de décrétion, alimenté par de la matière éjectée par l’étoile ! Gamma Cassiopeiae (Gamma Cas) devint alors le prototype d’une nouvelle famille, celles des étoiles dites « Be », des étoiles chaudes qui émettent de la matière. Ce groupe rassemble en fait une bonne fraction des étoiles chaudes de type B. Beaucoup d’astronomes amateurs les prennent pour cible pour suivre leurs variations, au gré de l’évaporation ou de la reconstruction de leur disque.
Cependant, on découvrit il y a cinquante ans que Gamma Cas, le prototype, n’était pas si représentatif de sa famille ! En 1976, le satellite SAS-3, l’un des premiers télescopes spatiaux à observer dans le domaine des rayons X, détecta en effet une émission énergétique en provenance de Gamma Cas. Normalement, les émissions de rayons X des étoiles massives sont assez stables et peu intenses, représentant seulement un dix-millionième de leurs émissions totales. Elles proviennent de matière chauffée à seulement 5 millions de degrés. Gamma Cas, elle, brille 40 fois plus intensément, son émission de rayons X varie fortement en quelques minutes, voire en quelques secondes, et la température associée à ces émissions est estimée à 150 millions de degrés, provoquant une ionisation extrême de la matière.
L’étoile présente de plus des signatures de fluorescence, un phénomène qui se produit quand de la matière froide absorbe de la lumière (ici, des rayons X) puis la réémet à une fréquence légèrement différente – de nouveau, quelque chose de totalement inédit pour les étoiles massives.
Gamma Cas, la seule de son espèce ?
Au fil des ans, et surtout durant ces vingt dernières années, les télescopes spatiaux Chandra, XMM-Newton, et e-ROSITA ont repéré deux douzaines d’objets similaires à Gamma Cas : tous de type Be, tous dotés d’une émission X inhabituelle et parfaitement ordinaires par ailleurs. Environ 10 % des étoiles Be les plus massives semblent concernées. Ce n’est donc plus une curiosité, mais bien un phénomène astrophysique à part entière !
Bien sûr, les astronomes ont voulu expliquer ces propriétés étranges. Deux hypothèses principales ont été formulées : ces émissions, c’est soit de la faute de l’étoile, soit de celle d’un compagnon, c’est-à-dire un autre astre accompagnant l’étoile – ce qui ne serait pas surprenant, la plupart des étoiles massives vivant en couple ou en trio. Dans le premier cas, des rayons X naîtraient de l’interaction entre le champ magnétique de l’étoile et celui de son disque. Ce seraient des événements rapides et énergétiques, et la fluorescence serait alors provoquée par des rayons X se réfléchissant sur le disque autour de l’étoile.
Dans le second cas, il faut évidemment un compagnon. Or, les astronomes estiment aujourd’hui que les étoiles Be naissent justement à la suite d’interactions au sein de couples stellaires. D’ailleurs, Gamma Cas possède bien un compagnon, de masse similaire au Soleil. Au départ, Gamma Cas était une étoile bien moins massive, mais son compagnon lui a transféré de la matière, ce qui l’a fait grossir et tourner beaucoup plus vite. Dans le même temps, le compagnon, lui, est devenu compact. S’il s’agit d’un cœur stellaire dénudé (une stripped star, étoile ayant perdu ses couches externes lors du transfert de matière), il pourrait émettre un vent qui entrerait en collision avec le disque de décrétion, le choc générant des rayons X.
Hélas, les observations contredisent les prédictions de ce modèle, qui a dû être abandonné. Si le compagnon est une étoile à neutrons ou une naine blanche, il pourrait attirer la matière du disque et celle-ci, en tombant vers lui, générerait des émissions X. Pour le cas de l’étoile à neutrons, les calculs précis entrent ici aussi en conflit avec les observations. Restent donc deux scénarios : les rayons X sont produits près de l’étoile massive ou bien près du compagnon de type naine blanche.
Un nouveau satellite nous donne la clé du mystère
Pour trancher, il faut mesurer le mouvement imprimé dans l’émission X. En effet, dans un couple stellaire, aucun repos : les deux astres se tournent autour dans une valse (quasi) éternelle. L’un s’approche quand l’autre s’éloigne mais l’étoile, dix fois plus massive que son compagnon, bouge dix fois moins. L’émission X est soit liée à l’étoile Be et donc bouge comme elle, soit liée au compagnon et donc bouge comme lui. Facile par conséquent de faire la différence ? En théorie oui, mais en pratique, moins, car les instruments en rayons X manquaient jusqu’ici de précision.
C’est là qu’intervient XRISM, fleuron de l’Agence spatiale japonaise, JAXA. Lancé fin 2023, ce satellite embarque un instrument, baptisé Resolve, très particulier : il est capable de mesurer la lumière un photon à la fois et, ainsi, de fournir des caractéristiques sur sa cible, notamment sa vitesse, avec une précision inégalée.
XRISM a visé Gamma Cas trois fois, en décembre 2024, février et juin 2025, à chaque fois pendant une demi-journée environ. Trois mesures à trois moments clés du mouvement orbital. Verdict : les rayons X du gaz ultra chaud tout comme la fluorescence associée au gaz plus froid suivent le mouvement d’un compagnon stellaire. Après un demi-siècle, les astronomes percent donc enfin le secret de ces rayons X inattendus.
Yaël Nazé/Université de Liège, Fourni par l’auteur
Mystère résolu ? Oui et non. Depuis des décennies, on prévoit que des étoiles de type Be soient associées à des naines blanches, mais on n’en avait encore trouvé aucune qui ne fasse pas débat dans notre galaxie. XRISM révèle enfin où elles se cachent : chez Gamma Cas et ses semblables.
Cependant, les modèles prédisaient aussi que ces naines blanches devaient être non seulement nombreuses (elles accompagneraient de 30 à 50 % des étoiles Be), mais aussi préférentiellement associées aux étoiles Be de faible masse. On en trouve ici une fraction plus modeste (10 %) et plutôt chez des étoiles de masse élevée. Clairement, les interactions dans les systèmes binaires ne sont pas encore complètement comprises. Nous n’avons donc pas fini d’entendre parler de Gamma Cas et de ses cousines !
Yaël Nazé ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.
– ref. Après plus d’un demi-siècle, les astronomes percent les secrets d’une étoile mystérieuse – https://theconversation.com/apres-plus-dun-demi-siecle-les-astronomes-percent-les-secrets-dune-etoile-mysterieuse-278322