Utiliser des astéroïdes pour mesurer la taille des étoiles lointaines

Les ombres projetées par les astéroïdes forment la base d’une nouvelle méthode captivante qui permet aux astronomes de déterminer la taille des étoiles lointaines.

Lorsqu'un astéroïde passe devant une étoile, le diagramme de diffraction résultant (ici très exagéré) peut révéler la taille angulaire de l'étoile (DESY, Lucid Berlin).

Les scientifiques ont utilisé les capacités uniques des télescopes conçus pour détecter les rayons gamma cosmiques afin de mesurer la plus petite taille apparente d’une étoile dans le ciel nocturne à ce jour.

Les mesures - prises avec le système de télescope imageur de rayonnement très énergétique (VERITAS) - révèlent les diamètres d’une étoile géante à 2674 années-lumière et d’une étoile semblable au soleil à une distance de 700 années-lumière.

L’étude établit une nouvelle méthode passionnante permettant aux astronomes de déterminer la taille des étoiles: l’équipe internationale, dirigée par Tarek Hassan de DESY et Michael Daniel du Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), est publiée dans la revue Nature Astronomy.

La plupart des étoiles étant trop éloignées pour être résolues, même par les meilleurs télescopes optiques, l’équipe a utilisé un phénomène optique appelé diffraction pour mesurer le diamètre de l’étoile.

Cet effet utilise la nature ondulatoire de la lumière visible lorsqu'un objet, tel qu'un astéroïde, passe devant une étoile.

Hassan explique: «Les ombres incroyablement faibles des astéroïdes nous recouvrent tous les jours. Mais le bord de leur ombre n’est pas parfaitement net. Au lieu de cela, des rides de lumière entourent l'ombre centrale, comme des rides d'eau. "

Ce phénomène optique est connu sous le nom de motif de diffraction reproduit dans les laboratoires d’écoles du monde entier simplement en visant un laser sur une arête vive. La forme du motif obtenu peut révéler la taille angulaire de la source de lumière. Cependant, à la différence du laboratoire de l'école, le diagramme de diffraction d'une étoile occultée par un astéroïde est très difficile à mesurer.

Daniel poursuit: «Ces occultations d'astéroïdes sont difficiles à prédire. Et la seule chance d'attraper le motif de diffraction est de faire des instantanés très rapides lorsque l'ombre balaye le télescope. ”

Les astronomes ont utilisé une technique similaire à celle utilisée auparavant, mesurant la taille angulaire d'étoiles occultées par la lune. Cette méthode fonctionne jusqu’à des diamètres angulaires d’environ une milliarcseconde, soit environ la taille apparente d’une pièce de deux cents au sommet de la tour Eiffel à Paris, vue de New York.

Cependant, peu d'étoiles dans le ciel ont cette taille apparente.

Ainsi, afin de résoudre des diamètres angulaires encore plus petits, l’équipe a utilisé des télescopes Cherenkov, des instruments qui surveillent normalement la lueur extrêmement bleuâtre et extrêmement courte créée par les particules de haute énergie et les rayons gamma lorsqu’ils traversent l’atmosphère de la Terre.

Les télescopes Cherenkov ne produisent peut-être pas les meilleures images optiques, mais grâce à leur immense surface de miroir segmentée de la même manière que l’œil d’un insecte, ils sont extrêmement sensibles aux variations rapides de la lumière. Cela comprend la lumière des étoiles.

Télescopes VERITAS (Université de Chicago)

En utilisant les quatre grands télescopes VERITAS à l'observatoire Fred Lawrence Whipple, en Arizona, l'équipe a pu détecter clairement le diagramme de diffraction de l'étoile TYC 5517–227–1 balayée, occultée par l'astéroïde Imprinetta de 60 km le 22 février 2018. .

Grâce aux télescopes VERITAS permettant à l’équipe de prendre 300 instantanés par seconde, ils ont été en mesure de reconstruire le profil de luminosité du diagramme de diffraction avec une grande précision. Cela a abouti à un diamètre angulaire - ou apparent - de l’étoile de 0,125 milliarcsecondes. Avec sa distance de 2674 années-lumière, le véritable diamètre de l’étoile est onze fois celui de notre soleil.

Cela a permis aux astronomes de catégoriser l'étoile - dont la classe était jusqu'alors ambiguë - sous la forme d'une étoile géante rouge.

Les chercheurs ont répété l'exploit trois mois plus tard, le 22 mai 2018, lorsqu'un astéroïde Penelope de 88 kilomètres de diamètre occultait l'étoile TYC 278–748–1.

Cette deuxième série de mesures donne une taille angulaire de 0,094 milliarcsecondes et un diamètre réel de 2,17 fois celui de notre soleil. À cette occasion, l’équipe a pu comparer le diamètre à une estimation antérieure reposant sur d’autres caractéristiques - son diamètre étant fixé à 2,173 fois le diamètre solaire. Les deux séries de mesures se sont donc confirmées à un degré impressionnant - même si l’estimation précédente n’avait pas été basée sur une mesure directe.

Daniel poursuit: “Il s'agit de la plus petite taille angulaire d'une étoile jamais mesurée directement.

«Le profilage d'occultations d'étoiles par des astéroïdes à l'aide de télescopes Cherenkov offre une résolution dix fois supérieure à la méthode d'occultation lunaire standard. En outre, il est au moins deux fois plus net que les mesures de taille interférométrique disponibles. ”

Daniel souligne que la prochaine étape pour l'équipe consiste à améliorer l'incertitude de leurs mesures: «Nous espérons que cela pourra être considérablement amélioré en optimisant la configuration, par exemple en réduisant la longueur d'onde des couleurs enregistrées. Puisque différentes longueurs d'onde sont diffractées différemment, le motif est terni si trop de couleurs sont enregistrées en même temps. ”

Les scientifiques estiment que des télescopes appropriés pourraient visualiser plus d'une occultation d'astéroïdes par semaine. Hassan résume: «Notre étude pilote établit une nouvelle méthode pour déterminer le diamètre réel des étoiles. Etant donné que la même étoile semble plus petite à mesure qu'elle est éloignée, passer à des diamètres angulaires plus petits signifie également élargir la plage d'observation.

«Nous estimons que notre méthode peut analyser les étoiles jusqu'à dix fois plus loin que le permet la méthode d'occultation lunaire standard. Globalement, la technique peut fournir suffisamment de données pour les études de population. ”

Étude originale: Nature Astronomy, 2019; DOI: 10.1038 / s41550–019–0741-z