Le 11 mars 1437, un groupe d'astronomes royaux dans une tour d'observation à Séoul, en Corée, a assisté à l'éclat d'un éclair blanc brillant éclairant le ciel nocturne. Un des cinq observateurs a noté méticuleusement ce qu'ils ont vu: "On a commencé à voir une étoile invitée entre la deuxième et la troisième étoile de Wei [Scorpius]… Cela a duré 14 jours."
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Bien qu’ils ne le sachent pas à ce moment-là, la «guest star» scintillante venait d’un événement plus violent que son nom ne le laisse supposer: une explosion de la nova. À présent, à l'aide des archives coréennes et des plaques photographiques sur verre de l'Université de Harvard, les astrophysiciens modernes ont redécouvert l'étoile et reconstruit pour la première fois le cycle de vie d'un système d'étoiles binaires.
"La véritable nouveauté de cette étude est que nous disposons d'une horloge indiscutable et d'une précision extraordinaire", explique Michael Shara, auteur principal de l'étude et astrophysicien du musée américain d'histoire naturelle. «En astronomie, on ne mesure presque jamais quoi que ce soit avec une précision supérieure à 20 ou 30%. Ici, nous savons ce qui se passe dans la journée.
La recherche, publiée mercredi dans la revue Nature, examine l’évolution d’un système binaire, un jumelage céleste dans lequel deux étoiles sont suffisamment proches pour que leur gravité les amène à se mettre en orbite. Environ 70% des stars appartiennent à cette catégorie et leur relation est tout sauf pacifique. La plus grande des deux étoiles est une naine blanche, une étoile très dense dont la masse ne dépasse pas 8 fois la taille de notre Soleil. (En fait, notre Soleil deviendra probablement une naine blanche dans 5 milliards d'années.)
«Si vous vous teniez sur un nain blanc, vous deviendriez une marée noire», déclare Josh Grindlay, co-auteur de l'étude et chercheur principal du projet DASCH (Accès numérique à un ciel de Sky Century @ Harvard).
Le compagnon à long terme du nain blanc, en revanche, est un nain rouge plus petit, brûlant de l'hydrogène. Le nain blanc cannibalise impitoyablement son partenaire, siphonnant de la matière et l'accumulant en anneau autour de son atmosphère. Ce halo de super-matière s'appelle un «disque d'accrétion». Parfois, la quantité de matière déversée par la petite étoile vers son partenaire affamé augmentera suffisamment pour que le nain blanc s'illumine de façon spectaculaire, comme une lampe de poche s'allumant soudainement. C'est ce qu'on appelle une «variable cataclysmique».
Ce que les astronomes coréens ont observé il y a près de 600 ans était toutefois encore plus spectaculaire. Ils ont assisté à quelque chose qui s'appelle une nova, c'est-à-dire lorsque la matière accumulée dans l'atmosphère de la naine blanche atteint une masse critique et provoque une chaîne de réactions nucléaires, devenant jusqu'à 1 million de fois plus lumineuse que le soleil. Contrairement à une supernova, une étoile subissant une nova n’explose pas complètement; seule son atmosphère le fait. Le nain blanc retombe finalement dans un état d'hibernation, sirotant des matières de son partenaire. Dans cet état, la seule trace restante de son éruption violente est un nuage de matière éjectée appelée coquille.
«Les Novae sont souvent décrits comme les troisièmes explosions les plus énergiques de l’univers, les premiers étant le Big Bang, les seconds étant les supernovae et les sursauts gamma», explique Jeremy Drake, astrophysicien expérimenté au Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian.
Jusqu'à présent, les chercheurs ne savaient pas si les variables novae et cataclysmiques apparaissaient dans le même système, ou si certains systèmes produisaient novae alors que d'autres restaient des variables cataclysmiques. «Le fait que nous puissions retracer cet événement de nova particulier à partir d'observations coréennes et voir que cette étoile subit maintenant un comportement de variable cataclysmique normal est une pièce manquante du puzzle qui nous indique que les variables de nova et cataclysmique sont le même système épisodes », dit Drake.
Pour Shara, la révélation est encore plus gratifiante. Depuis 30 ans, il recherche des preuves matérielles de son hypothèse selon laquelle les systèmes binaires existent dans un état d'évolution, comme «les papillons et les chenilles». Après avoir cherché dans un endroit légèrement différent de celui auquel il s'attendait, il a finalement découvert ou plutôt redécouvert —Ce nain blanc assis dans sa coquille de nova. Et avec les plaques de verre de DASCH, utilisées par les astronomes et les «ordinateurs» de Harvard pour photographier le ciel pendant 100 ans, Shara pouvait voir la même étoile traverser des explosions de nouvelle-naine (ces instants de scintillement) en 1934, 1935 et 1942.
Pour cette découverte époustouflante, nous devons toute notre gratitude aux observateurs royaux mandatés par le roi coréen Sejong, qui a dirigé de 1418 à 1450 et construit "l'un des plus beaux observatoires astronomiques du monde", écrit Joseph Needham dans The Hall of Records célestes: instruments et horloges astronomiques coréens . En plus de la construction de plusieurs observatoires et instruments astronomiques (y compris une horloge à eau révolutionnaire à frappe automatique), les astronomes royaux ont également observé avec suffisamment de précision la lune, le soleil et cinq planètes pour faire des prévisions sur leurs mouvements futurs tout au long de 1442.
Le livre dans lequel ces observations et prédictions sont consignées, Chilijeongsan (Calculs des sept luminaires), est «une preuve de l'astronomie coréenne à son plus haut niveau dans le monde contemporain», écrit l'historien Park Seong-Rae dans Science et technologie dans l'histoire coréenne: Excursions, Innovations et enjeux . Ce n'est pas non plus la première fois que les astronomes modernes bénéficient des calculs méticuleux des premiers observateurs. Les peuples anciens observant les éclipses solaires et lunaires en Asie et au Moyen-Orient ont jeté les bases des futures avancées scientifiques, rapporte Maya Wei-Haas pour Smithsonian.com .
Mais même si nous avons résolu une grande question sur le cycle de vie de novae, Shara pense qu'il y a plus à éclairer. «L'un de ces systèmes entre-t-il dans les phases les plus profondes de l'hibernation, où le taux de transfert de masse devient des milliers de fois inférieur ou pourrait-il même tomber à zéro? Y a-t-il un moment où les étoiles n'interagissent pas? C'est un inconnu », dit-il. Tout ce que nous savons pour le moment, c’est que le cycle - nova, hibernation, variable cataclysmique - se répète des milliers de fois au cours de la longue durée de vie du système binaire.
À la fin de ce cycle de vie, l'étoile à l'hydrogène cannibalisée finit par perdre son statut d'étoile. "Cela devient un nain brun, puis une planète, puis le noyau rocheux d'une planète, puis il est probablement déchiqueté dans une ceinture d'astéroïdes", explique Shara.
Alors que Shara envisage de continuer à observer le ciel pour avoir plus de preuves de ce qui va suivre pour les systèmes binaires, il soupçonne que davantage de ses collègues pourraient aller fouiller dans le passé pour chasser Novae. Drake, pour sa part, semble vouloir relever le défi. «Je ne sais pas combien se cachent, mais je suis sûr qu'il y a plus d'exemples d'archives qui peuvent être suivis», déclare Drake, qui n'était pas affilié à l'étude. Il ajoute que, même si les exo-planètes pourraient attirer l'attention du public, les variables novae et cataclysmiques sont vraiment ce qui fait le plaisir.
«L’évolution stellaire et la physique de l’interaction des étoiles et de la dynamique de l’explosion - ce sont vraiment des systèmes fascinants à explorer», explique-t-il.
