Une étoile 10 000 000 fois plus brillante que le Soleil défie les lois de la physique

En astronomie, la brillance des différents corps célestes est une donnée extrêmement importante. Les chercheurs peuvent en déduire des tas d’informations sur les propriétés de l’objet en question et de son voisinage. Mais certains de ces objets transgressent ouvertement les limites définies par les modèles cosmologiques, et les astronomes tentent de comprendre pourquoi afin d’affiner ces théories. Récemment, une équipe de chercheurs a proposé un début de solution à ces incohérences qui laissent les spécialistes perplexes depuis des décennies.

Les modèles modernes font intervenir une limite théorique de luminosité : on parle de limite d’Eddington. Elle dépend de l’équilibre entre les forces gravitationnelles, dirigées vers le centre de l’objet, et la pression de radiation qui s’exerce dans le sens opposé.

Si un objet dépasse cette limite, la pression de radiation exercée par les photons qui s’échappent de l’étoile peut surpasser la force gravitationnelle. Et le devenir de l’étoile dépend directement du résultat de ce bras de fer. Si la gravitation perd son combat contre la lumière, du matériel doit être éjecté pour conserver un certain équilibre thermodynamique.

Des objets hors-normes qui défient les limites théoriques

Pourtant, certains objets appelés sources X ultralumineuses (ou ULX pour Ultraluminous X-ray Source) atteignent des niveaux de brillance ahurissants, régulièrement 100 à 500 fois supérieurs à la limite d’Eddington.

Dans cette situation, la pression de radiation devrait théoriquement être extrême, au point de repousser le gaz et la poussière qui aurait normalement été attirés par la gravité. Or, c’est justement la chute de ce matériel surchauffé au cœur de l’étoile qui est censée générer cette luminosité ! On se retrouve donc avec une incohérence particulièrement perturbante pour les chercheurs.

En règle générale, ce genre de lacune indique l’existence d’un nouveau mécanisme jamais identifié. Il est donc très important de déterminer l’origine de ces anomalies pour les intégrer aux modèles cosmologiques.

Pas une illusion d’optique

Pour y parvenir, une équipe de chercheurs a pointé le NuSTAR sur une étoile à neutrons baptisés M82 X-2. Grâce à cet observatoire de la NASA spécialisé dans la traque des rayons X, ils ont pu confirmer que le signal dépassait allègrement la limite d’Eddington. Cette précision était nécessaire, car d’autres chercheurs avaient suggéré qu’il pourrait s’agir d’une illusion d’optique.

En effet, une autre hypothèse avançait que des courants de gaz dans l’atmosphère de l’étoile pourraient créer une sorte de cône. Ce dernier aurait pour effet de canaliser la lumière dans une direction précise. Si la structure était pointée en direction de la Terre, cela aurait effectivement pu donner la fausse impression que le signal dépassait la limite d’Eddington — mais ce n’est pas le cas avec M82 X-2.

Des photons déformés par le champ magnétique ?

À la place, cette observation renforce une autre hypothèse prometteuse. Selon les chercheurs, ce signal surpuissant est probablement lié au champ magnétique exceptionnellement intense de l’étoile ; il pourrait carrément déformer les photons eux-mêmes. Le communiqué explique que ce mécanisme réduit la contribution de chaque particule à la pression de radiation. La gravité peut donc remporter le bras de fer mentionné plus haut, ce qui permet à l’objet d’attirer du matériel.

Dans ce cas précis, il s’agit même de très grandes quantités de matière, car les étoiles à neutrons sont exceptionnellement denses. Elles génèrent donc une force gravitationnelle phénoménale, environ 100 milliards de milliards de fois supérieure à celle de la Terre.

Cela signifie que toute particule qui passe à proximité est attirée vers l’étoile à plusieurs millions de kilomètres par heure. Et forcément, l’impact génère une quantité d’énergie énorme. En guise d’exemple, la NASA explique qu’un marshmallow jeté à la surface d’un tel astre générerait un impact aussi puissant qu’un millier de bombes à hydrogène sur Terre.

Or, les chercheurs estiment que M82 X-2 dévore en moyenne 9 milliards de milliards de milliards (!) de tonnes de matériel par an, soit à peu près l’équivalent d’une Terre et demie chaque année. D’après leurs calculs, la quantité d’énergie ainsi produite serait à peu près cohérente avec l’intensité du signal lumineux.

Une étude prometteuse mais pas encore 100% concluante

L’hypothèse du champ magnétique devient donc de plus en plus séduisante. Mais il va encore falloir patienter avant de parvenir à une conclusion tranchée. Le problème, c’est qu’il est excessivement difficile, pour ne pas dire impossible de tester ce scénario. Nous ne sommes tout simplement pas capables de reproduire ce champ magnétique en laboratoire, car il est plusieurs milliards de fois plus intense que ceux générés par les aimants artificiels les plus puissants. Il n’y a donc qu’une seule option : retourner scruter le cosmos pour passer d’autres ULX au peigne fin.

« C’est toute la beauté de l’astronomie », conclut Matteo Bachetti, astrophysicien italien et auteur principal de l’étude. « On ne peut pas vraiment faire d’expériences pour obtenir des réponses rapides ; il faut observer le ciel, et attendre que l’Univers nous révèle ses secrets ».

Le texte de l’étude est disponible ici.

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