Les rayons cosmiques - des particules qui ont été accélérées à une vitesse proche de la vitesse de la lumière - sortent constamment de notre Soleil, bien qu'ils soient positivement lents par rapport à ce que l'on appelle les rayons cosmiques à ultra-haute énergie (UHECR). Ces types de rayons cosmiques proviennent de sources extérieures au système solaire et sont beaucoup plus énergétiques que ceux de notre Soleil, mais aussi beaucoup plus rares. La fusion entre une naine blanche et une étoile à neutrons ou un trou noir peut être une source de ces rayons, et de telles fusions peuvent se produire assez souvent pour être la source la plus importante de ces particules énergétiques.
Le Sloan White dwArf Radial Velocity Data Mining Survey (SWARMS) - qui fait partie du Sloan Digital Sky Survey - a récemment découvert un système binaire d'objets exotiques à seulement 50 parsecs du système solaire. Ce système, nommé SDSS 1257 + 5428, semble être une étoile naine blanche en orbite autour d'une étoile à neutrons ou d'un trou noir de faible masse. Des détails sur le système et sa découverte initiale peuvent être trouvés dans un article de Carles Badenes, et al. ici.
Le co-auteur Todd Thompson, professeur adjoint au Département d'astronomie de l'Ohio State University, fait valoir dans une récente lettre à The Astrophysical Journal Letters que ce type de système, et la fusion subséquente de ces restes exotiques d'étoiles, peuvent être monnaie courante et pourraient expliquer la quantité de UHECR actuellement observée. La fusion entre la naine blanche et l'étoile à neutrons ou le trou noir peut également créer un trou noir de faible masse, un soi-disant trou noir «bébé».
Thompson a écrit dans une interview par e-mail:
«On pense que les binaires d'étoiles naines / neutrons blanches ou de trous noirs sont assez rares, bien qu'il y ait une énorme gamme de nombres par galaxie semblable à la Voie lactée dans la littérature. SWARMS a été le premier à détecter un tel système en utilisant la technique de la «vitesse radiale» et le premier à trouver un tel objet à proximité, à seulement 50 parsecs (environ 170 années-lumière). Pour cette raison, il était très surprenant, et sa proximité relative nous a permis de faire valoir que ces systèmes doivent être assez communs par rapport à la plupart des attentes précédentes. SWARMS aurait dû être très chanceux de voir quelque chose d'aussi rare à proximité. »
Thompson et al. soutiennent que ce type de fusion peut être la source la plus importante d'UHECR dans la galaxie de la Voie lactée, et que l'on devrait fusionner dans la galaxie tous les 2000 ans environ. Ces types de fusions peuvent être légèrement moins courants que les supernovae de type Ia, qui proviennent de systèmes binaires de naines blanches.
Une naine blanche fusionnant avec une étoile à neutrons créerait également un trou noir de faible masse d'environ 3 fois la masse du Soleil. Thompson a déclaré: «En fait, ce scénario est probable car nous pensons que les étoiles à neutrons ne peuvent pas exister au-delà de 2 à 3 fois la masse du Soleil. L'idée est que le WD serait perturbé et s'accumulerait sur l'étoile à neutrons, puis l'étoile à neutrons s'effondrerait dans un trou noir. Dans ce cas, nous pourrions voir le signal de formation de BH dans les ondes de gravité. »
Les ondes de gravité produites dans une telle fusion seraient au-dessus de la plage détectable par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), un instrument qui utilise des lasers pour détecter les ondes de gravité (dont aucune n'a encore été détectée… pour l'instant), et peut-être même un observatoire des ondes gravitationnelles à base espacée, antenne spatiale de l'interféromètre laser de la NASA, LISA.
Les rayons cosmiques communs qui proviennent de notre Soleil ont une énergie de l'ordre de 10 ^ 7 à 10 ^ 10 électron-volts. Les rayons cosmiques à très haute énergie sont un phénomène rare, mais ils dépassent 10 ^ 20 électron-volts. Comment des systèmes comme SDSS 1257 + 5428 produisent-ils des rayons cosmiques d'une telle énergie? Thompson a expliqué qu'il existe deux possibilités tout aussi fascinantes.
Dans le premier, la formation d'un trou noir et d'un disque d'accrétion consécutif à la fusion générerait un jet un peu comme ceux observés au centre des galaxies, signe révélateur d'un quasar. Bien que ces jets soient beaucoup, beaucoup plus petits, les ondes de choc à l'avant du jet accéléreraient les particules aux énergies nécessaires pour créer des UHECR, a déclaré Thompson.
Dans le deuxième scénario, l'étoile à neutrons vole la matière du compagnon nain blanc, et cette accrétion la fait tourner rapidement. Les contraintes magnétiques qui s'accumulent à la surface de l'étoile à neutrons, ou «magnétar», pourraient accélérer toutes les particules qui interagissent avec le champ magnétique intense à des énergies ultra-élevées.
La création de ces rayons cosmiques à ultra-haute énergie par de tels systèmes est hautement théorique, et à quel point ils peuvent être courants dans notre galaxie n'est qu'une estimation. On ne sait pas si peu de temps après la découverte du SDSS 1257 + 5428 si l'objet compagnon de la naine blanche est un trou noir ou une étoile à neutrons. Mais le fait que SWARMS ait fait une telle découverte si tôt dans l'enquête est encourageant pour la découverte d'autres systèmes binaires exotiques.
«Il est peu probable que SWARMS verra 10 ou 100 systèmes de ce type. Si tel était le cas, le taux de ces fusions serait très (invraisemblablement) élevé. Cela dit, nous avons été surpris à plusieurs reprises auparavant. Cependant, étant donné la superficie totale du ciel étudiée, si notre estimation du taux de telles fusions est correcte, SWARMS ne devrait voir qu'environ 1 autre système de ce type, et il se peut qu'ils n'en voient aucun. Une enquête similaire dans le ciel austral (il n'y a actuellement rien de comparable à la Sloan Digital Sky Survey, sur laquelle SWARMS est basé) devrait aboutir à environ 1 de ces systèmes », a déclaré Thompson.
Des observations du SDSS 1257 + 5428 ont déjà été effectuées à l'aide de l'observatoire à rayons X Swift, et certaines mesures ont été prises dans le spectre radioélectrique. Aucune source de rayons gamma n'a été trouvée à l'emplacement du système utilisant le télescope Fermi.
Thompson a déclaré: «L'observation à venir la plus importante du système est probablement d'obtenir une distance réelle via la parallaxe. À l'heure actuelle, la distance est basée sur les propriétés de la naine blanche observée. En principe,
il devrait être relativement facile de surveiller le système au cours de l'année prochaine et d'obtenir une distance de parallaxe, ce qui atténuera bon nombre des incertitudes entourant les propriétés physiques de la naine blanche. »
Source: Arxiv, entretien par courriel avec Todd Thompson
