Un mystérieux émetteur cosmique de rayons X révèle sa nature magnétique

Tau Scorpii fait partie des étoiles massives à vie courte, si chaudes qu'une seule d'entre elles rayonne plusieurs millions de fois l'énergie lumineuse du Soleil. Ejectant de grandes quantités de matière sous forme de vent stellaire, tau Scorpii est une source très intense de rayons X, dont l'origine mystérieuse vient d'être élucidée à l'aide du nouveau spectropolarimètre ESPaDOnS équipant le télescope Canada-France-Hawaii. Une équipe internationale(1) conduite par un chercheur du CNRS a pu observer pour la première fois le réseau complexe des lignes de champ magnétique de cette étoile. Ce dernier serait à l'origine de bouffées de plasma très chaud, source du rayonnement X de tau Scorpii. Ces résultats sont publiés dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Notre Soleil, malgré ses taches, ses éruptions et son vent, est une étoile plutôt calme. En comparaison, les étoiles beaucoup plus massives vivent intensément et meurent très jeunes. Elles sont si brillantes qu'elles parviennent à expulser les couches superficielles de leur atmosphère, sous la seule pression de la lumière qu'elles émettent, à une vitesse approchant un pour cent de la vitesse de la lumière. C'est ce qu'on appelle un vent stellaire. La matière ainsi expulsée peut non seulement interagir avec d'autres étoiles proches, mais aussi alimenter le milieu interstellaire en matière et en énergie, ou encore provoquer l'effondrement de nuages avoisinants et induire ainsi de nouvelles poussées de formation stellaire. Quoique moins nombreuses que leurs homologues de taille inférieure comme le Soleil, les étoiles massives sont donc des acteurs de premier plan dans la vie d'une galaxie.

L'étoile tau Scorpii est l'une de nos plus proches voisines très massives Sa grande luminosité la rend facilement visible à l'oeil nu malgré sa distance de plus de 400 années lumière de la Terre. D'une masse égale à 15 fois celle du Soleil, elle est aussi 5 à 6 fois plus grande et plus chaude que notre propre étoile.

Les étoiles très chaudes émettent des rayons X qui, d'après les scientifiques, sont produits lors de chocs supersoniques intervenant au sein du vent stellaire tels de gigantesques carambolages de particules cosmiques. Sans raison apparente, l'intensité des rayons X produits par tau Scorpii est encore bien supérieure à celle émise par la plupart des autres étoiles de même type. Cette découverte a permis à l'équipe internationale conduite par Jean François Donati du laboratoire d'Astrophysique (Observatoire Midi-Pyrénées - CNRS), de révéler que la surface de tau Scorpii est couverte d'un réseau complexe de lignes de champ magnétique qui permet de mieux comprendre son activité.

Les chercheurs ont découvert et modélisé le champ magnétique de tau Scorpii en analysant les minuscules signaux polarisés que les champs induisent dans la lumière des étoiles magnétiques. Il semblerait que le champ magnétique de tau Scorpii soit un "fossile" datant de la formation de l'étoile. Sa propriété la plus intéressante est sans doute la manière dont il interagit avec le vent de l'étoile, forçant les particules du vent à suivre les lignes de champ comme des perles sur des fils. Dans ce contexte, les flots associés aux lignes de champ ouvertes s'échappent librement vers l'espace, tandis que les flots associés aux boucles de champ fermées restent captifs. Au sein de chacune de ces arches magnétiques, les flots en provenance des deux pieds de l'arche se rencontrent au sommet et produisent une collision frontale si colossale qu'elle parvient, grâce à l'énergie libérée lors du choc, à changer la matière expulsée par le vent en boules de plasma chauffées à plusieurs millions de degrés et confinées au sommet des boucles magnétiques.

Ce modèle fournit une explication plausible et naturelle de l'émission de rayons X inhabituellement intense que tau Scorpii parvient à engendrer. Toutefois, le mécanisme par lequel le champ magnétique a réussi à freiner la vitesse de rotation de l'étoile (à moins d'un dixième de celles d'autres étoiles similaires non magnétiques) reste incertain : si les étoiles comme le Soleil peuvent en effet être freinées par leur vent magnétisé (à la manière d'un patineur qui ralentit sa rotation en écartant les bras), tau Scorpii ne perd pas sa masse assez vite pour que sa rotation ait pu être affectée au cours de sa très brève existence de seulement quelques millions d'années.

Les mesures ont été réalisées grâce au spectropolarimètre stellaire ESPaDOnS(2). Ce nouvel instrument, le plus performant au monde pour mener ce type d'étude, a été spécifiquement conçu et construit à l'Observatoire Midi-Pyrénées pour l'étude des champs magnétiques des étoiles.