Comprendre les oscillations des naines blanches

Publié le par internaaze

Lorsqu’elles sont en orbite autour d’une autre étoile, les naines blanches magnétiques, aussi appelées « polars », aspirent la matière qui tombe en chute libre jusqu’à leurs pôles dans ce qui est appelé une « colonne d’accrétion », région cylindrique mesurant quelques centaines de kilomètres de rayon. Dans cette colonne, la matière en chute libre atteint des vitesses supersoniques de l’ordre de 1000 km/s créant un phénomène d’onde de choc, analogue au « bang » des avions supersoniques. Cette onde de compression ralentit brutalement la matière qui s’échauffe et peut alors rayonner autant d’énergie qu’au cœur d’une étoile, principalement sous forme de rayons X, ultraviolets et lumière visible.

Entre 1982 et 1997, des variations de luminosité rapides ont été découvertes dans la lumière visible de cinq de ces polars, suggérant l’existence d’instabilités. Les scientifiques ont voulu comprendre l’origine de ces instabilités présentes dans ces étoiles fortement magnétiques. Dans un premier temps, et en complément de travaux antérieurs, ils ont produit des simulations numériques très précises du processus physique complexe de l’onde de choc due au déplacement de la matière dans la colonne d’accrétion des polars. Dans la majorité des cas, ces simulations ont montré l’existence de fortes instabilités se traduisant par une oscillation importante de la hauteur du choc au-dessus de la naine blanche et donc de la luminosité en rayons X. Pour la première fois, les chercheurs ont pu mettre en évidence un choc dit « secondaire » qui est « réfléchi » par la surface de la naine blanche lorsque la matière percute l’étoile.

Dans un second temps, les mêmes équipes ont recherché la présence de ces oscillations rapides, dont les périodes peuvent varier de 0,1 à 10 secondes, dans un ensemble de polars observées en rayons X par le satellite européen XMM-Newton. Mais, parmi les 24 polars qui ont été étudiées, aucun n’a pu révéler des oscillations rapides.

Dans certains cas, un champ magnétique trop fort peut amortir les oscillations et les rendre indétectables. Mais, malgré l’incertitude sur certains paramètres (masse de la naine blanche, section de la colonne d’accrétion …), une partie au moins des polars observées par XMM aurait dû montrer des oscillations rapides dues aux variations du choc. L’obtention de ces nouveaux résultats et la découverte de l’absence de ces oscillations semblent aujourd’hui mettre en doute la validité des modèles standards sur le comportement des colonnes d’accrétion dont la physique est pourtant considérée comme bien maîtrisée.

Pour obtenir de tels résultats, les scientifiques ont mis au point des simulations numériques du comportement du plasma. Par ailleurs, les progrès réalisés en physique des lasers et l’utilisation croissante des lasers à haute densité d’énergie rendent désormais possible la reproduction en laboratoire de conditions similaires à celles rencontrées dans certaines structures de l’Univers. Ainsi, dans le cadre du projet d’expérimentation astrophysique baptisé « POLAR », le même groupe de scientifiques a déjà réussi à reproduire en partie, en laboratoire, les phénomènes physiques présents dans les colonnes d’accrétion à la surface des naines blanches. La récente mise en fonctionnement du Laser Mégajoule (LMJ) permettra, dans un futur proche et dans le cadre des expériences d’ouverture avec LMJ-PETAL, de créer une réelle maquette de colonne d’accrétion, ouvrant ainsi la voie à une véritable étude en laboratoire des instabilités de chocs.

Source(s):

Quasi-periodic oscillations in accreting magnetic white dwarfs I. Observational constraints in X-rays and optical, J.M. Bonnet-Bidaud, M. Mouchet, C. Busschaert, E. Falize, C. Michaut, Astronomy & Astrophysics, juin 2015 (sous presse)

Quasi-periodic oscillations in accreting magnetic white dwarfs. II. The asset of numerical modelling to interpret observations, C. Busschaert, E. Falize, C. Michaut, J.-M. Bonnet-Bidaud, M. Mouchet, Astronomy & Astrophysics, juin 2015 (sous presse)

http://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/201425482http://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/201425483

http://www.insu.cnrs.fr/node/5380

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