À l’origine des systèmes binaires d’étoiles, une histoire de couple

Les couples d’étoiles massives naissent et évoluent à travers des phases régies par des mécanismes encore mal connus. En observant ces systèmes stellaires lors de phases bien précises de leur évolution, il est possible de retracer leur histoire afin de comprendre d’où ils viennent, et ainsi mieux prédire leur évolution future. Deux études publiées dans la revue Astronomy and Astrophysics par une équipe de chercheurs du laboratoire Astroparticule et Cosmologie se penchent justement sur ces questions et expliquent l’impact de divers mécanismes évolutifs sur les systèmes binaires tels que les explosions de supernova ou leur migration à travers la Voie Lactée.

Les étoiles massives naissent et évoluent sur des temps – astrophysiquement – courts. En quelques dizaines de millions d’années, elles finissent leur vie en s’effondrant sur elles-mêmes, donnant alors naissance à une étoile à neutrons ou à un trou noir. Les mécanismes physiques qui gouvernent l’évolution de ces étoiles massives restent à ce jour encore mal connus. De plus, une large majorité des étoiles massives passent au moins une partie de leur vie en couple et peuvent, si les conditions le permettent, s’échanger de la matière au cours de diverses phases de leur évolution. Étudier ces systèmes binaires se révèle ainsi essentiel pour mieux comprendre l’évolution stellaire en général.

                   Évolution d’un couple stellaire massif

Parmi les phases d’évolution d’un couple stellaire, celle dite binaire X retient particulièrement l’attention. Cette phase a lieu suite à l’explosion d’une supernova, laissant ensuite sa place à une étoile à neutrons. Cette même étoile peut alors capter de la matière du compagnon restant, lui permettant ainsi d’émettre de grandes quantités de photons de haute énergie – de rayons X, d’où le nom de binaire X.

Une équipe de chercheurs du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (UMR 7164 Université Paris-Cité / CNRS), en collaboration avec des chercheurs de l’Institut d’Astrophysique de La Plata, en Argentine, ont publié deux études dans Astrophysics & Astronomy, revenant sur l’histoire des systèmes binaires X observés dans la Voie Lactée. Ces recherches tentent d’une part à identifier le lieu de naissance de ces binaires X, pour connaître ainsi leur âge exact, et d’autre part, à comprendre comment la supernova affecte la relation entre les deux étoiles. Cette explosion en supernova peut en effet propulser le couple à travers la galaxie à des vitesses inatteignables autrement : c’est ce qu’on appelle le kick natal.

En mesurant la vitesse de déplacement des binaires X au sein de la Voie Lactée, il est possible de répondre à ces deux questions. Pour cela, les chercheurs ont utilisé les données de Gaia, un satellite qui, à ce jour, a établi un catalogue de deux milliards d’étoiles, dont il a mesuré précisément les positions et les vitesses – ce qu’on appelle les mesures astrométriques, y compris celles des binaires X qui les intéressaient.

Pour répondre à la question de l’impact de la supernova sur les couples d’étoiles, les chercheurs ont utilisé des équations déjà existantes qui lient les paramètres orbitaux d’un système binaire avant et après l’explosion d’une supernova. En combinant ces équations avec une approche statistique dite Bayésienne, l’équipe a pu estimer la force du kick natal qui a initialement propulsé ces systèmes aux vitesses mesurées aujourd’hui par Gaia. Ils ont ainsi pu quantifier l’impact de la supernova sur 35 binaires X de notre Voie Lactée.

Avec ces mêmes mesures astrométriques de Gaia, il est possible de retracer le chemin parcouru par ces systèmes à travers la galaxie pendant les quelques millions d’années de leur vie. En intégrant leur mouvement au cours du temps, et en comparant leurs trajectoires avec celles des structures galactiques qui abritent la formation stellaire, les chercheurs ont réussi à déterminer le lieu de naissance de ces systèmes binaires. Cela donne une mesure de l’âge des binaires X, allant de 2 à 40 millions d’années sur l’échantillon étudié, et permet même de remonter aux masses initiales des deux étoiles qui les composent. Si ces masses ne sont pas surprenantes pour des étoiles massives, cette étude montre que l’interaction binaire peut mener à un important échange de masse entre les deux étoiles, pouvant aller jusqu’à 2/3 de leur masse initiale.

Ces résultats sur l’impact des supernovas et les lieux de naissance des binaires X massives donnent des informations précieuses sur leur histoire et pourront être réutilisés pour calibrer les modèles qui prédisent les caractéristiques de la population actuelle de systèmes binaires. Cela permettra entre autre de mieux comprendre leur vie jusqu’au stade de binaire compacte où les deux étoiles, alors effondrées, entrent en collision et fusionnent libérant alors une bouffée d’ondes gravitationnelles.

Ces recherches ont fait l’objet d’un financement par le Laboratoire d’Excellence UnivEarthS (Labex UnivEarthS), programme de recherche dédié au développement de projets interdisciplinaires dans les domaines des sciences de la Terre et de la physique de l’Univers.

Références

• Constraints to neutron-star kicks in high-mass X-ray binaries with Gaia EDR3

Francis Fortin, Federico García, Sylvain Chaty, Eric Chassande-Mottin, Adolfo Simaz Bunzel

DOI: 10.1051/0004-6361/202140853

• Finding the birthplace of HMXBs in the Galaxy using Gaia EDR3: Kinematical age determination through orbit integration

Francis Fortin, Federico García and Sylvain Chaty

DOI: 10.1051/0004-6361/202244048