Les « cannibales cosmiques » expulsent des jets dans l’espace à 40 % de la vitesse de la lumière

Les astronomes ont réussi, pour la première fois, à mesurer la vitesse des jets de matière expulsés par des étoiles surnommées « cannibales cosmiques ». Cette découverte, publiée dans la revue Nature, apporte un nouvel éclairage sur les processus violents à l’œuvre dans l’univers, essentiels à la formation des étoiles et à la distribution des éléments nécessaires à la vie.

Grâce à une expérience innovante, les chercheurs ont pu déterminer que ces jets de matière se déplacent à plus d’un tiers de la vitesse de la lumière, soit environ 114 000 kilomètres par seconde. Cette prouesse a été rendue possible par l’utilisation astucieuse des explosions nucléaires qui se produisent à la surface de ces étoiles.

Jakob van den Eijnden, chercheur à l’Université de Warwick et co-auteur de l’étude, explique : « Les explosions se produisent sur des étoiles à neutrons, qui sont incroyablement denses et réputées pour leur énorme force gravitationnelle. Cette force les pousse à absorber le gaz de leur environnement, une attraction gravitationnelle qui n’est surpassée que par celle des trous noirs. »

Une pluie de matière à la surface des étoiles à neutrons

La matière, principalement de l’hydrogène provenant d’une étoile proche en orbite, tourbillonne vers l’étoile effondrée, tombant comme de la neige sur sa surface. Au fur et à mesure que de plus en plus de matière s’accumule, le champ gravitationnel la compresse jusqu’à ce qu’une explosion nucléaire incontrôlée soit déclenchée. Cette explosion a un impact sur les jets, qui sont également expulsés à partir de la matière en chute et éjectent des particules dans l’espace à très grande vitesse.

Thomas Russell, co-auteur de l’étude et chercheur à l’Institut National d’Astrophysique (INAF) de Palerme en Italie, précise : « Cela nous a donné une expérience parfaite. Nous avions une impulsion très brève et de courte durée de matière supplémentaire qui est projetée dans le jet et que nous pouvons suivre au fur et à mesure qu’elle se déplace le long du jet pour en apprendre davantage sur sa vitesse. »

Une collaboration internationale pour une découverte majeure

L’équipe a mis au point une méthode pour mesurer la vitesse et les propriétés des jets en comparant les signaux radio et rayons X captés par le réseau de télescopes Australia Telescope Compact Array (propriété et exploité par le CSIRO, l’agence scientifique nationale australienne) et le satellite Integral de l’Agence Spatiale Européenne (ESA).

Jakob van den Eijnden ajoute : « Ces explosions se produisent toutes les quelques heures, mais il est impossible de prédire exactement quand elles auront lieu. Il faut donc observer longuement avec les télescopes et espérer capter quelques explosions. Sur trois jours d’observations, nous avons vu 10 explosions et des jets s’illuminer. »

C’est la première fois que les astronomes ont pu anticiper et observer directement comment une certaine quantité de gaz est canalisée dans un jet et accélérée dans l’espace.

De nouvelles perspectives pour l’étude de l’univers

Nathalie Degenaar, co-auteure de l’étude et chercheuse à l’Université d’Amsterdam aux Pays-Bas, poursuit : « Sur la base des données précédentes, nous pensions que l’explosion détruirait l’endroit où le jet était lancé. Mais nous avons observé exactement le contraire : un apport important dans le jet plutôt qu’une perturbation. »

Les chercheurs pensent que la masse et la rotation des étoiles à neutrons et des trous noirs ont également un impact sur les jets. Ayant maintenant démontré que cette recherche est possible, cette étude servira de modèle pour de futures expériences sur les étoiles à neutrons et leurs jets. Les jets peuvent également être produits par des événements cataclysmiques tels que les explosions de supernovæ et les sursauts gamma. Ces nouveaux résultats auront une large applicabilité dans de nombreuses études du cosmos.

En synthèse

Cette découverte majeure, fruit d’une collaboration internationale, ouvre de nouvelles perspectives dans l’étude des processus violents à l’œuvre dans l’univers. En mesurant pour la première fois la vitesse des jets de matière expulsés par les étoiles à neutrons, les astronomes ont franchi une étape cruciale dans la compréhension de la formation des étoiles et de la distribution des éléments nécessaires à la vie. Ces résultats serviront de base pour de futures recherches sur les étoiles à neutrons, les trous noirs et les phénomènes cataclysmiques comme les supernovæ et les sursauts gamma.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ?

Une étoile à neutrons est un objet céleste extrêmement dense, résultant de l’effondrement d’une étoile massive en fin de vie. Sa densité est telle qu’une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pèserait plusieurs milliards de tonnes sur Terre.

Comment se forment les jets de matière ?

Les jets de matière se forment lorsque du gaz, principalement de l’hydrogène, est attiré par la force gravitationnelle intense de l’étoile à neutrons. Ce gaz s’accumule à la surface de l’étoile jusqu’à ce qu’une explosion nucléaire se produise, projetant de la matière dans l’espace à très grande vitesse.

Quelle est l’importance de cette découverte ?

Cette découverte permet de mieux comprendre les processus violents à l’œuvre dans l’univers, essentiels à la formation des étoiles et à la distribution des éléments nécessaires à la vie. Elle ouvre également la voie à de futures recherches sur les étoiles à neutrons, les trous noirs et les phénomènes cataclysmiques.

Comment les astronomes ont-ils mesuré la vitesse des jets de matière ?

Les astronomes ont utilisé une combinaison d’observations radio et rayons X, captées par des télescopes au sol et un satellite. En comparant les signaux, ils ont pu suivre le déplacement de la matière dans les jets et en déduire leur vitesse.

Quelles sont les perspectives futures de cette recherche ?

Cette étude servira de modèle pour de futures expériences sur les étoiles à neutrons et leurs jets. Les résultats auront une large applicabilité dans de nombreuses études du cosmos, notamment sur les trous noirs et les phénomènes cataclysmiques tels que les supernovae et les sursauts gamma.

Références

Légende illustration : Cette impression d’artiste montre comment les explosions nucléaires d’une étoile à neutrons alimentent les jets qui jaillissent de ses régions polaires magnétiques. Au premier plan, au centre droit, une boule blanche très brillante représente l’étoile à neutrons. Des filaments blancs et violets s’échappent de sa région polaire. La boule est entourée d’une sphère plus large d’un blanc trouble, la couronne, et plus loin d’un disque avec des bandes concentriques de différentes couleurs, allant du blanc dans le disque intérieur à l’orange au milieu et au rouge-magenta dans la région extérieure. Une bande orange relie la partie extérieure du disque à une grande section jaune-orange-rouge d’une sphère dans le coin supérieur gauche. Il s’agit du compagnon stellaire de l’étoile à neutrons, qui alimente le disque autour du corps sphérique blanc brillant. Crédit : Danielle Futselaar et Nathalie Degenaar, Institut Anton Pannekoek, Université d’Amsterdam. Licence CC BY-SA 3.0

Article : “Thermonuclear explosions on neutron stars reveal the speed and feeding of their jets” 10.1038/s41586-024-07133-5