Les vagues géantes, hautes comme trois soleils, se fracassent sur une étoile colossale.

10 août 2023

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par le Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian

Un système d'étoiles extrême donne une nouvelle signification à l'expression "La vague arrive".

Le système d'étoiles intrigue les chercheurs car c'est l'étoile "cardiaque" la plus dramatique jamais enregistrée. De nouveaux modèles ont révélé que des vagues titanesques, générées par les marées, se brisent de manière répétée sur l'une des étoiles du système - la première fois que ce phénomène est observé sur une étoile.

Les étoiles cardiaques sont des étoiles proches qui pulsent périodiquement en luminosité, comme le rythme d'un cœur qui bat sur un électrocardiogramme. Les étoiles des systèmes cardiaques se déplacent en orbites ovales allongées. Chaque fois qu'elles se rapprochent, les gravités des étoiles génèrent des marées - tout comme la Lune crée des marées océaniques sur Terre. Les marées étirent et déforment les formes des étoiles, modifiant la quantité de lumière stellaire vue lorsqu'elles sont vues de la Terre selon leurs côtés étroits ou larges.

Une nouvelle étude explique pourquoi les fluctuations de luminosité d'un système d'étoiles cardiaque extrême sont environ 200 fois plus grandes que celles des étoiles cardiaques typiques. La cause: d'énormes vagues qui se forment sur la plus grande étoile lorsque son étoile compagnon plus petite fait régulièrement de près. Ces vagues de marées atteignent des hauteurs et des vitesses si élevées, que l'étude montre que ces vagues se brisent - similaires aux vagues océaniques - et s'écrasent sur la surface de l'étoile géante.

Surnommé "étoile de chagrin" par les astronomes, le système offre un aperçu sans précédent de l'interaction entre les étoiles massives.

"Chaque vague dévastatrice, créée par les marées de cette étoile, libère suffisamment d'énergie pour désintégrer notre planète plusieurs centaines de fois", explique Morgan MacLeod, chercheur postdoctoral en astrophysique théorique au Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) et auteur d'une nouvelle étude publiée dans Nature Astronomy qui rapporte les résultats. "Ce sont vraiment de grandes vagues."

Et pourtant, selon le professeur Abraham (Avi) Loeb, conseiller de MacLeod, directeur de l'Institut de théorie et de calcul de CfA et autre auteur de l'article, "Les vagues se brisant sur les étoiles sont aussi belles que celles sur les plages de nos océans."

Les étoiles cardiaques ont été observées pour la première fois lorsque le télescope spatial Kepler de la NASA, chargé de la recherche d'exoplanètes, a détecté leurs pulsations de luminosité subtiles caractéristiques.

Un modèle informatique de dynamique des gaz du système montre qu'à proximité, un gaz est soulevé pour former une énorme vague sur la plus grande étoile avant de retomber à la surface. Crédit : Morgan MacLeod, CfA

La "star de chagrin" extrême, cependant, n'est rien de subtil. L'étoile la plus grande du système est près de 35 fois plus massive que le Soleil et, avec son étoile compagnon plus petite, est officiellement désignée MACHO 80.7443.1718 - non pas en raison d'une puissance stellaire particulière, mais parce que les variations de luminosité du système ont été enregistrées pour la première fois par le projet MACHO dans les années 1990, qui cherchait des signes de matière noire dans notre galaxie.

La plupart des étoiles cardiaques varient en luminosité seulement d'environ 0,1 %, mais MACHO 80.7443.1718 a attiré l'attention des astronomes en raison de ses variations de luminosité exceptionnellement dramatiques, avec des pics allant jusqu'à 20 %. "Nous ne connaissons aucune autre étoile cardiaque qui varie autant", déclare MacLeod.

Pour résoudre le mystère, MacLeod a créé un modèle informatique de MACHO 80.7443.1718. Son modèle montre comment la gravité des deux étoiles en interaction génère de grandes marées dans la plus grande étoile. Les marées résultantes s'élèvent à environ un cinquième du rayon de l'étoile géante, ce qui équivaut à des vagues aussi hautes que trois Soleils empilés les uns sur les autres, ou environ 2,7 millions de miles de haut.

Les simulations montrent que les énormes vagues commencent sous forme de vagues lisses et organisées, tout comme les vagues de l'eau de l'océan, avant de s'enrouler sur elles-mêmes et de se briser. Comme les adeptes de la plage le savent, les puissantes vagues océaniques qui se brisent projettent de l'écume de mer et des bulles, laissant "un grand désordre mousseux" là où se trouvait autrefois une vague lisse, explique MacLeod.

L'énorme libération d'énergie des vagues qui se brisent sur MACHO 80.7443.1718 a deux effets, montre le modèle de MacLeod. Elle fait tourner la surface stellaire de plus en plus vite et projette du gaz stellaire vers l'extérieur pour former une atmosphère stellaire en rotation et lumineuse.

About once a month, the two stars pass each other and a fresh monster wave barrels across the heartbreak star's surface. Cumulatively, this agitation has caused the big star in MACHO 80.7443.1718 to bulge at its equator by about 50% more than at its poles. And, with each new passing wave, more material is flung outward, like 'spinning pizza crust flinging off chunks of cheese and sauce' says MacLeod. The signature glow of this atmosphere was one of the key clues that waves were breaking on the star's surface, according to MacLeod.

As unprecedented as MACHO 80.7443.1718 is, it is unlikely to be unique. Of the nearly 1,000 heartbeat stars discovered so far, about 20 of them display large brightness fluctuations approaching those of the system simulated by MacLeod and Loeb. 'This heartbreak star could just be the first of a growing class of astronomical objects,' MacLeod says. 'We're already planning a search for more heartbreak stars, looking for the glowing atmospheres flung off by their breaking waves.'

All things considered, MacLeod says we are lucky to have caught the star in this phase, 'We are watching a brief and transformative moment in a long stellar lifetime.' And by watching the colossal surf roll across a stellar surface, astronomers hope to gain an understanding of how close interactions shape the evolution of stellar pairs.

Journal information: Nature Astronomy

Provided by Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics