Selon un nouvel article publié dans la revue Nature, des astronomes ont découvert une étoile naine blanche teintée de bleu inhabituelle avec deux « visages » distincts : un côté est de l’hydrogène et l’autre de l’hélium. Naturellement, ils ont surnommé l’étoile Janus, du nom du dieu romain à deux visages de la dualité et de la transition.

Comme indiqué précédemment, une naine blanche est essentiellement le noyau brûlé d’une étoile morte. L’une des premières étoiles naines blanches découvertes, surnommée 40 Eridani B, avait une densité plus de 25 000 fois celle du Soleil, emballée dans un volume beaucoup plus petit (à peu près la taille de la Terre) – une déduction observationnelle que les astronomes ont initialement jugée impossible. Une deuxième naine blanche, Sirius B (en orbite autour de l’étoile Sirius), a été découverte peu de temps après et est apparue incroyablement dense (environ 200 000 fois plus dense que la Terre).

Cette densité extrême provient du mécanisme inhabituel derrière la pression interne de l’étoile pour l’empêcher de s’effondrer sous la force de gravité. Les étoiles régulières dépendent de l’énergie libérée par la fusion nucléaire, mais la fusion s’est arrêtée chez les naines blanches. Ainsi, la gravité a compacté toute la matière de l’étoile vers l’intérieur si étroitement que ses électrons se sont écrasés ensemble, formant une « matière dégénérée par les électrons ». Cela se produit à cause de la mécanique quantique, notamment le principe d’exclusion de Pauli, qui soutient que seuls deux électrons peuvent être dans le même niveau d’énergie. Les gaz normaux ne violent pas ce principe car il y a suffisamment d’espace entre les électrons pour empêcher tous les niveaux d’énergie des atomes de se remplir. Mais dans un gaz dégénéré, les électrons faire remplir tous les niveaux d’énergie, ce qui se traduit par une force de pression vers l’extérieur pour arrêter l’effondrement de l’étoile.

Plus la naine blanche a de masse, plus elle devient petite car elle doit créer une pression interne suffisante pour supporter toute cette masse. Et parce que la gravité de surface de l’étoile est 100 000 fois celle de la Terre, les atomes plus lourds de son atmosphère coulent, laissant des atomes plus légers à la surface. Ainsi, les atmosphères des naines blanches sont généralement composées d’hydrogène pur ou d’hélium pur.

C’est pourquoi cette dernière découverte d’une naine blanche est si intrigante. L’astronome Ilaria Caiazzo, postdoctorante à Caltech, a d’abord repéré Janus (officiellement désigné ZTF J203349.8+322901.1) alors qu’il utilisait le Zwicky Transient Facility (ZTF) pour rechercher des naines blanches hautement magnétisées. Le ZTF est une caméra robotique attachée au télescope Samuel Oschin, vieux de 70 ans, à l’observatoire Palomar dans le comté de San Diego. ZTF effectue des relevés robotiques du ciel nocturne, à la recherche d’objets qui éclatent ou dont la luminosité varie : supernovas, étoiles grignotées par des trous noirs, astéroïdes et comètes, par exemple. Il balaye le ciel entier pendant trois nuits et le plan visible de la galaxie deux fois par nuit.

Des observations de suivi avec l’instrument CHIMERA à Palomar et au Gran Telescopio Canarias en Espagne ont révélé que Janus tourne sur son axe environ toutes les 15 minutes. Mais ce sont les données d’observation glanées avec l’observatoire WM Keck à Hawaï qui ont révélé le spectre inhabituel de l’étoile, c’est-à-dire son empreinte chimique distinctive : d’un côté l’hydrogène, de l’autre l’hélium. Caiazzo et ses co-auteurs pensent qu’il pourrait s’agir d’une naine blanche prise au milieu d’une transition rare d’une surface à dominante hydrogène à une surface à dominante hélium.

Cependant, cela n’explique pas pourquoi un côté évolue plus rapidement que l’autre. Les astronomes ont actuellement deux hypothèses pour expliquer cet étrange phénomène, toutes deux liées aux champs magnétiques. On postule que les champs magnétiques de Janus pourraient être asymétriques. « Les champs magnétiques peuvent empêcher le mélange des matériaux », a déclaré Caiazzo. « Donc, si le champ magnétique est plus fort d’un côté, alors ce côté aurait moins de mélange et donc plus d’hydrogène. » Peut-être que le côté hélium de Janus semble si pétillant parce que la convection a enlevé la fine couche d’hydrogène à la surface, révélant l’hélium en dessous.

L’autre est que les champs magnétiques de l’étoile pourraient modifier la pression et la densité des gaz atmosphériques. « Les champs magnétiques peuvent entraîner une baisse des pressions de gaz dans l’atmosphère, ce qui peut permettre à un » océan « d’hydrogène de se former là où les champs magnétiques sont les plus forts », a déclaré le co-auteur James Fuller, astrophysicien théoricien à Caltech. « Nous ne savons pas lesquelles de ces théories sont correctes, mais nous ne pouvons penser à aucune autre façon d’expliquer les côtés asymétriques sans champs magnétiques. »

La prochaine étape consiste à localiser davantage d’étoiles naines blanches à deux faces, ce qui devrait être plus facile à réaliser lorsque l’observatoire Vera C. Rubin sera mis en ligne, ainsi que le cinquième Sloan Digital Sky Survey. Les astronomes ont déjà observé des variations spectrales moins extrêmes chez une autre naine blanche (GD 323). « Janus pourrait donc ne pas être un cas isolé mais plutôt le membre le plus frappant d’une classe de naines blanches à double face », ont conclu les auteurs.

DOI: Nature, 2023. 10.1038/s41586-023-06171-9  (About DOIs).

Image de la liste par K. Miller/Caltech/IPAC