Les astronomes ont découvert une nouvelle étoile de séquence principale qui est la plus rapide de son genre jamais trouvée dans la Voie lactée. Elle traverse la galaxie à la vitesse vertigineuse d’environ 1 700 kilomètres par seconde et s’éloigne du centre de la galaxie.
Cela en fait également la première étoile que les astronomes peuvent identifier avec certitude comme ayant été éjectée du centre galactique. Cela signifie qu’elle a probablement été expulsée par une interaction avec le trou noir supermassif qu’il contient, le colosse Sagittarius A* (Sgr A*).
“Nous avons découvert cette étoile par hasard”, a déclaré à ScienceAlert l’astronome Daniel Zucker, de l’université Macquarie.
“Nous avons mené une enquête appelée S5… pour observer les étoiles dans les courants stellaires, qui sont des structures autour de notre galaxie créées par des amas d’étoiles et des galaxies naines lorsqu’elles sont déchirées par les forces de marée de la Voie lactée.”
Selon Zucker, les spectres des étoiles peuvent nous renseigner sur leurs températures, leurs compositions et leurs âges, ainsi que sur la vitesse à laquelle elles se rapprochent ou s’éloignent de nous (leur vitesse radiale).
“Dans le cadre d’un projet parallèle, le professeur Sergey Koposov de l’université Carnegie Mellon a examiné les spectres de l’étude S5 pour rechercher des étoiles ayant une vitesse radiale élevée ; il a été très surpris de constater qu’une étoile – qu’il a baptisée S5-HVS1 – s’éloignait de nous à une vitesse de plus de 1 000 km/s !”
Des observations et des calculs ultérieurs ont confirmé le résultat, donnant une vitesse follement rapide de 1 700 km/s.
S5-HVS1 est assez intéressante. Il s’agit d’une étoile à séquence principale, ou “vivante”, qui subit encore la fusion de l’hydrogène dans son noyau. En fait, elle est relativement jeune, puisqu’elle n’a que 500 millions d’années sur une durée de vie estimée à un milliard d’années.
Il s’agit d’une étoile de type A, dont la masse est environ 2,35 fois celle du Soleil, et qui brille très fort. Ces caractéristiques en font une véritable curiosité parmi ces étoiles rapides, connues sous le nom d’étoiles hypervéloces (HSV).
En effet, selon une analyse de 2015, les HSV que les astronomes ont trouvées dans la séquence principale sont plutôt des étoiles de type O et B : des étoiles très chaudes et massives qui vivent vite et meurent jeunes et ne vivent pas plus de quelques dizaines de millions d’années.
Il existe également des étoiles “mortes” à très grande vitesse, ou étoiles à neutrons, comme le précédent record de vitesse, RX J0822-4300, dont la vitesse apparente est supérieure à 1 500 kilomètres par seconde – une vitesse record lorsqu’elle a été calculée pour la première fois en 2006.
Des recherches plus récentes ont montré qu’elle était nettement plus lente, mais des étoiles mortes plus rapides ont tout de même été identifiées l’année dernière : deux naines blanches atteignant une vitesse d’environ 2 200 kilomètres par seconde.
Mais l’origine des étoiles mortes hypervéloces est plus claire : lorsqu’une étoile mourante devient supernova, l’explosion peut être asymétrique, éjectant l’étoile elle-même dans l’espace à des vitesses folles. Pour les naines blanches, on pense qu’une double détonation, où les deux étoiles font boum, est responsable.
Avant S5-HVS1 (dont la découverte est toujours en attente d’un examen par les pairs), l’étoile de séquence principale connue la plus rapide de la galaxie était US 708, à 1 200 kilomètres par seconde. C’est une étoile de type O. S5-HVS1 la fait sortir de l’eau.
Mais sans explosion, comment les étoiles de la séquence principale peuvent-elles atteindre des vitesses aussi folles ? Et bien, c’est là que les trous noirs entrent en jeu.
Les astronomes pensent que les étoiles de la séquence principale hyper vélocité identifiées à ce jour pourraient avoir été éjectées dans l’espace par le biais d’interactions d’échange à trois corps, où l’un des corps est un trou noir et les deux autres sont des étoiles dans un système binaire.
(Respirez un peu et regardez cette magnifique animation d’un système à trois corps mis en son)
“Les interactions d’échange à trois corps entre les étoiles et un trou noir massif délient inévitablement les étoiles d’une galaxie”, a écrit l’astronome Warren Brown du Smithsonian Centre for Astrophysics de Harvard en 2015.
“Comme les étoiles ont des tailles finies, seul un objet compact massif peut expliquer les étoiles éjectées à des vitesses de 1 000 km s-1.”
La position de S5-HVS1, à environ 29 000 années-lumière de la Terre, et la vitesse à laquelle elle se déplace, indiquent qu’elle a été éjectée du centre galactique il y a environ 4,8 millions d’années, avec beaucoup de force.
“Notre modèle de son orbite suggère que sa vitesse initiale était assez similaire à sa vitesse actuelle, soit environ 1 800 km/s”, a déclaré M. Zucker.
“Pour l’amener à cette vitesse, il faudrait un transfert d’énergie cinétique d’environ 6 x 10^42 Joules – pour référence, un coup de pied comme celui-là accélérerait la Terre à 0,997 fois la vitesse de la lumière !”
Depuis lors, il a traversé l’espace à toute allure, mais le mécanisme qui l’a propulsé est un peu moins clair.
Selon l’article, pour qu’une interaction d’échange à trois corps se produise, il aurait fallu que l’une des étoiles ait une masse relativement faible, inférieure à celle du Soleil, et qu’elle soit enfermée dans une orbite à courte période avec S5-HVS1 – d’une durée comprise entre 3 et 40 jours.
Bien que ces binaires soient rares, elles sont possibles. Un événement d’accrétion survenu il y a quelques millions d’années pourrait avoir déclenché la formation d’étoiles dans le centre galactique, produisant la binaire S5-HSV1. Sa trajectoire est curieusement alignée avec un disque de ces étoiles, ce qui pourrait indiquer que c’est de là qu’elle provient.
“L’idée de base (parfois appelée mécanisme de Hills) est qu’un système stellaire binaire (deux étoiles en orbite l’une autour de l’autre) se rapproche d’un trou noir super massif, et l’une des étoiles est capturée par le trou noir”, explique Zucker.
“Alors que l’étoile capturée est attirée en orbite autour du trou noir, l’autre étoile est éjectée dans l’espace à grande vitesse – dans le cas d’un trou noir ayant une masse de plusieurs millions de fois celle du Soleil, l’étoile éjectée pourrait atteindre une vitesse de ~1 000 km/s ou plus.”
Une autre possibilité encore est qu’un trou noir intermédiaire situé dans le centre galactique ait fusionné avec Sgr A* il y a quelques millions d’années. La friction dynamique aux derniers stades de son inspiration pourrait avoir expulsé un tas d’étoiles du centre galactique.
Bien qu’il y ait peu de preuves d’un tel événement, on pourrait l’étudier en recherchant d’autres étoiles hypervéloces éjectées en même temps que S5-HVS1.
Il y a encore beaucoup à apprendre sur l’étoile elle-même. Une nouvelle version des données Gaia – un projet visant à cartographier la galaxie en trois dimensions avec le plus haut niveau de précision et de détail jamais atteint – est attendue pour la fin de l’année 2021.
“D’autres observations de l’étoile, et en particulier la prochaine publication des données Gaia, nous permettront de mesurer la position et la vitesse de l’étoile en 3D avec une plus grande précision, et donc de mieux modéliser son orbite ; cela nous permettra de déterminer précisément l’origine de l’étoile”, a déclaré Zucker.
“En outre, la découverte d’autres HVS de ce type nous donnera des indices sur ce qui se passe au centre galactique, et nous permettra d’avoir une meilleure idée de la forme de la galaxie et de la répartition de sa masse.”
La recherche a été soumise aux Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, et est disponible sur le site de préimpression arXiv.
Mise à jour du 1er août 2019 : article mis à jour avec les commentaires de Daniel Zucker.