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Evolution d'un système binaire par Grzegorz Wiktorowicz, astronome à l'Université de Varsovie

article source    traduction: Ouser  Relecture et Révision: Gu

fusion d'un système binaire

légende du tableau:

ZAMS : la séquence principale d'âge zéro

MS : la séquence principale

HG : le trou d'Hertzsprung

RLOF : lobe de Roche

BH : trou noir

CE : (binaire) à enveloppe commune

Mo : masse solaire

Ro : rayon solaire

[Myr] : millions d'années

He star : étoile à hélium extrême

a et e :

[a] représente la distance entre les deux étoiles dans les unités de mesures du rayon solaire. "Par exemple, une étoile de diamètre dix fois plus élevé que le Soleil aura un diamètre de vingt rayons solaires."

[e] l'excentricité orbitale

liens des définitions: wikipedia, Futura-Science et techno-science.net

Le diagramme ci-dessus (par Wojciech Gladysz) présente l'évolution d'un système binaire particulier qui émet une forte attractivité gravitationnelle continue.
La colonne de gauche fournit l'âge du système en millions d'années. [Myr]
Au centre nous avons les dessins simplifiés du système binaire avec les phases d'évolutions et la masse solaire des deux étoiles, bleue sur
la gauche et violette sur la droite.
NDT: La masse solaire représente une échelle simple: 1 Mo signifie la masse de notre Soleil.
La colonne de droite présente la distance entre les étoiles dans les unités de rayon solaires et leur excentricité orbitale, qui décrit comment est l'inclinaison orbitale (0.00 signifiant une orbite circulaire)(Spin Axis). Ci-dessous, vous trouvez une courte description de l'évolution du système.

La description d'une évolution binaire menant à la fusion de deux trous noirs au sein de l'Univers. La séquence principale d'âge zéro (ZAMS) doit être perçu comme la naissance d'un Système binaire. À ce moment les étoiles commencent la synthèse d'hélium à l'intérieur de leurs noyaux (cœurs). Cela marque aussi le début de la plus longue phase de leur durée de la vie, la séquence principale prétendue (MS). L'étoile sur la séquence principale brille presque invariablement.

La situation change brusquement quand l'hydrogène est épuisé dans le noyau (cœur). Plus l'étoile est massive plus cela arrive vite. Pour la plus massive, la fin de la séquence principale survient après quelques millions d'années. Ensuite, le noyau (coeur) commence à s'effondrer et chauffe considérablement, tandis que l'enveloppe de l'étoile gonfle et devient même 100
fois plus grande! Cette phase très courte mais extrêmement dynamique est appelée le trou d'Hertzsprung (HG).

Dans cette étoile massive, la première couche se désolidarise jusqu'au noyau, la matière libérée qui en résulte peut être capturée par le champ gravitationnel de l'autre étoile et alourdir la masse de celle-ci. Ce transfert de masse est connu sous le nom de lobe de Roche (RLOF). En quelques centaines d'années, cela
est assez puissant pour renverser le ratio de masse, c'est-à-dire, que la première étoile, qui était deux fois plus lourde à l'instant de temps de zéro de la séquence principale (ZAMS), est maintenant presque deux fois plus légère.

Le résultat de la phase du lobe de Roche est que la première étoile est totalement dépouillée de son enveloppe d'hydrogène extérieure et devient une étoile d'hélium extrême (supergéante rouge ou supergéante bleu) d'une masse d'environ 25 masses solaires. Une telle étoile, après un épisode bref de forte perte massive en raison du vent stellaire, forme un trou noir (BH) à travers un effondrement direct. 'Direct' signifie ici qu'aucune explosion de supernova n'est observée dans le champ gravitationnel du nouvel objet formé, et qu'il est trop large (lourd, vaste) pour permettre à une matière d'être éjectée du système.

 

Deux scénarios ont été proposés pour expliquer la formation de telles étoiles :

-Le modèle de double dégénérescence (DD) postule que ces étoiles constituent au départ un système binaire formé d'une petite naine blanche riche en hélium et d'une naine blanche plus grosse riche en carbone et en oxygène. Ces deux étoiles spiralent l'une vers l'autre sous l'effet d'ondes gravitationnelles et finissent par fusionner : si la masse résultante demeure inférieure à la masse de Chandrasekhar, l'accrétion de l'hélium sur le cœur de carbone et d'oxygène forme temporairement une supergéante visible comme étoile à hélium extrême, avant de refroidir en se condensant en naine blanche.
-Le modèle du flash final (FF) postule que les étoiles à hélium extrêmes puissent se former comme étape tardive dans l'évolution stellaire après que l'étoile a quitté la branche asymptotique des géantes. La contraction de l'étoile en naine blanche après la phase de fusion de l'hydrogène provoque la fusion de l'hélium, qui se dilate et constitue l'essentiel du volume de l'étoile, devenue une étoile à hélium extrême.

L'examen de la composition chimique des étoiles de type EHE est cependant davantage en accord avec le modèle DD, qui prévoit que la phase de fusion de l'hélium a déjà partiellement eu lieu dans ce type d'étoiles.

****

L'étoile secondaire, qui est plus légère à l'instant (ZAMS), évolue bien plus lentement. Cependant, après 6 millions d'années d'évolution, se termine aussi la phase de combustion d'hydrogène (la séquence principale) et commence son expansion. Mais, par contraste avec la phase RLOF expliquée ci-dessus, actuellement aucun de transfert de masse est possible. L'étoile primaire ne peut pas accumuler toute la masse, qui est perdue par la seconde étoile et les deux étoiles sont englouties(enveloppées) par cette matière. Nous voyons apparaître alors la phase connue sous le nom de binaire à enveloppe commune (CE). Bien qu'étant extrêmement courte (moins de 1000 ans), la phase change le Système significativement.

Premièrement, l'étoile secondaire perd son enveloppe d'hydrogène et devient une étoile d'hélium vingt fois plus lourde que notre propre Soleil. Comme c'est arrivé pour la première, une telle étoile ne peut vivre longtemps et s'effondre bientôt pour former un trou noir.

Deuxièmement , l'enveloppe commune modifie beaucoup le moment cinétique orbital (moment angulaire) du Système binaire. Ce qui aboutit à un grand rétrécissement orbital (d'environ 2000 rayons solaires à 25 rayons solaires [Ro]).

Troisièmement, toute la matière de l'enveloppe commune est repoussée du Système.

Nous obtenons un système de trou noir double sur une orbite relativement proche (environ 10%de la distance entre la Terre et le Soleil!). Une telle configuration tiendra compte du nouveau resserrement de l'orbite en raison de l'émission de vagues gravitationnelles (elles modifient le moment cinétique et l'énergie orbitale). A la fin, après 5,4 milliards d'années (presque la moitié de l'âge actuel de l'Univers), la fusion sera accompagnée d'une forte explosion d'émissions gravitationnelles, qui devrait être visible depuis la Terre.

Grzegorz Wiktorowicz
Observatoire Astronomique
Université de Varsovie