Système d'étoiles

Un système stellaire est un petit nombre d' étoiles qui gravitent en orbite les unes autour des autres, liées par l' attraction gravitationnelle . Un grand groupe d'étoiles liées par la gravitation est généralement appelé amas d'étoiles ou galaxie , bien que, de manière générale, il s'agisse également de systèmes stellaires. Les systèmes stellaires ne doivent pas être confondus avec les systèmes planétaires , qui incluent les planètes et les corps similaires (tels que les comètes ).

Un système stellaire composé de deux étoiles est appelé étoile binaire , système stellaire binaire ou étoile double physique . S'il n'y a pas d'effets de marée , pas de perturbation par d'autres forces et pas de transfert de masse d'une étoile à l'autre, un tel système est stable et les deux étoiles traceront une orbite elliptique autour du barycentre du système indéfiniment. (Voir Problème à deux corps ) . Des exemples de systèmes binaires sont Sirius , Procyon et Cygnus X-1 , ce dernier étant probablement constitué d'une étoile et d'un trou noir .

Un système d'étoiles multiples se compose de deux ou plusieurs étoiles qui semblent proches l'une de l'autre dans le ciel depuis la Terre . Cela peut résulter du fait que les étoiles sont en réalité physiquement proches et liées gravitationnellement l'une à l'autre, auquel cas il s'agit d'une étoile multiple physique , ou cette proximité peut être simplement apparente, auquel cas il s'agit d'une étoile multiple optique Les étoiles multiples physiques sont aussi communément appelées étoiles multiples ou systèmes d'étoiles multiples .

La plupart des systèmes à étoiles multiples sont des étoiles triples . Les systèmes à quatre composantes ou plus sont moins susceptibles de se produire. Les systèmes à étoiles multiples sont appelés triples , ternaires ou trinaires s'ils contiennent 3 étoiles ; quadruples ou quaternaires s'ils contiennent 4 étoiles ; quintuples ou quinténaires avec 5 étoiles ; sextuples ou sexténaires avec 6 étoiles ; septuples ou septénaires avec 7 étoiles ; octuples ou octénaires avec 8 étoiles. Ces systèmes sont plus petits que les amas d'étoiles ouverts , qui ont une dynamique plus complexe et comptent généralement de 100 à 1 000 étoiles. La plupart des systèmes à étoiles multiples connus sont triples ; pour des multiplicités plus élevées, le nombre de systèmes connus avec une multiplicité donnée diminue exponentiellement avec la multiplicité. Par exemple, dans la révision de 1999 du catalogue de Tokovinin des étoiles multiples physiques, 551 des 728 systèmes décrits sont triples. Cependant, en raison d’ effets de sélection suspectés , la capacité d’interpréter ces statistiques est très limitée.

Les systèmes multi-étoiles peuvent être divisés en deux classes dynamiques principales :

(1) les systèmes hiérarchiques, qui sont stables et se composent d'orbites imbriquées qui n'interagissent pas beaucoup, et donc chaque niveau de la hiérarchie peut être traité comme un problème à deux corps

ou

(2) les trapèzes qui ont des orbites instables en interaction forte et sont modélisés comme un problème à n corps , présentant un comportement chaotique . Ils peuvent avoir 2, 3 ou 4 étoiles.

La plupart des systèmes à étoiles multiples sont organisés selon ce qu'on appelle un système hiérarchique : les étoiles du système peuvent être divisées en deux groupes plus petits, chacun d'eux parcourant une orbite plus grande autour du centre de masse du système . Chacun de ces groupes plus petits doit également être hiérarchique, ce qui signifie qu'ils doivent être divisés en sous-groupes plus petits qui sont eux-mêmes hiérarchiques, et ainsi de suite. Chaque niveau de la hiérarchie peut être traité comme un problème à deux corps en considérant les paires proches comme s'il s'agissait d'une seule étoile. Dans ces systèmes, il y a peu d'interaction entre les orbites et le mouvement des étoiles continuera à se rapprocher des orbites képlériennes stables autour du centre de masse du système, contrairement aux systèmes trapézoïdaux instables ou à la dynamique encore plus complexe du grand nombre d' étoiles dans les amas d'étoiles et les galaxies .

Dans un système triple physique , chaque étoile orbite autour du centre de masse du système. Habituellement, deux des étoiles forment un système binaire proche , et la troisième orbite autour de cette paire à une distance bien plus grande que celle de l'orbite binaire. Cet arrangement est appelé hiérarchique . La raison de cet arrangement est que si les orbites intérieure et extérieure sont de taille comparable, le système peut devenir dynamiquement instable, conduisant à l'éjection d'une étoile du système. EZ Aquarii est un exemple de système triple hiérarchique physique, qui a une étoile extérieure en orbite autour d'une binaire physique interne composée de deux autres étoiles naines rouges . Les étoiles triples qui ne sont pas toutes liées gravitationnellement peuvent comprendre une binaire physique et un compagnon optique (comme Beta Cephei ) ou, dans de rares cas, une étoile triple purement optique (comme Gamma Serpentis ).

Les systèmes hiérarchiques à étoiles multiples avec plus de trois étoiles peuvent produire un certain nombre d'arrangements plus compliqués. Ces arrangements peuvent être organisés par ce qu'Evans (1968) a appelé des diagrammes mobiles , qui ressemblent à des mobiles ornementaux suspendus au plafond. Des exemples de systèmes hiérarchiques sont donnés dans la figure de droite ( diagrammes mobiles ). Chaque niveau du diagramme illustre la décomposition du système en deux ou plusieurs systèmes de taille plus petite. Evans appelle un diagramme multiplex s'il existe un nœud avec plus de deux enfants , c'est-à-dire si la décomposition d'un sous-système implique deux ou plusieurs orbites de taille comparable. Comme nous l'avons déjà vu pour les étoiles triples, cela peut être instable, on s'attend à ce que les étoiles multiples soient simplex , ce qui signifie qu'à chaque niveau il y a exactement deux enfants . Evans appelle le nombre de niveaux dans le diagramme sa hiérarchie .

• Un diagramme simplex de hiérarchie 1, comme dans (b), décrit un système binaire.
• Un diagramme simplex de hiérarchie 2 peut décrire un système triple, comme dans (c), ou un système quadruple, comme dans (d).
• Un diagramme simplexe de hiérarchie 3 peut décrire un système comportant entre quatre et huit composants. Le diagramme mobile de (e) montre un exemple de système quadruple de hiérarchie 3, constitué d'un seul composant distant en orbite autour d'un système binaire proche, l'un des composants du binaire proche étant un binaire encore plus proche.
• Un exemple concret de système de hiérarchie 3 est Castor , également connu sous le nom d'Alpha Geminorum ou α Gem. Il se compose de ce qui semble être une étoile binaire visuelle qui, après une inspection plus approfondie, se révèle être constituée de deux étoiles binaires spectroscopiques . En soi, il s'agirait d'un système quadruple de hiérarchie 2 comme dans (d), mais il est orbité par une composante plus faible et plus éloignée, qui est également une naine rouge binaire proche. Cela forme un système sextuple de hiérarchie 3.
• La hiérarchie maximale observée dans le catalogue d'étoiles multiples d'AA Tokovinin, en 1999, est de 4. Par exemple, les étoiles Gliese 644A et Gliese 644B forment ce qui semble être une étoile binaire visuelle proche ; comme Gliese 644B est une étoile binaire spectroscopique , il s'agit en fait d'un système triple. Le système triple a le compagnon visuel plus éloigné Gliese 643 et le compagnon visuel encore plus éloigné Gliese 644C, qui, en raison de leur mouvement commun avec Gliese 644AB, sont censés être liés gravitationnellement au système triple. Cela forme un système quintuple dont le diagramme mobile serait le diagramme de niveau 4 apparaissant dans (f).

Des hiérarchies plus élevées sont également possibles. La plupart de ces hiérarchies supérieures sont soit stables, soit souffrent de perturbations internes . D'autres considèrent que les étoiles multiples complexes se désintégreront théoriquement avec le temps en étoiles multiples moins complexes, comme des triples ou quadruples observés plus fréquemment sont possibles.

Les trapèzes sont généralement des systèmes très jeunes et instables. On pense qu'ils se forment dans des pépinières stellaires et se fragmentent rapidement en étoiles multiples stables, qui dans le processus peuvent éjecter des composants sous forme d' étoiles galactiques à grande vitesse . Ils doivent leur nom au système d'étoiles multiples connu sous le nom d'amas du Trapèze au cœur de la nébuleuse d'Orion . De tels systèmes ne sont pas rares et apparaissent généralement à proximité ou à l'intérieur de nébuleuses brillantes . Ces étoiles n'ont pas d'arrangements hiérarchiques standard, mais se font concurrence pour des orbites stables. Cette relation est appelée interaction . De telles étoiles finissent par se stabiliser en une binaire proche avec un compagnon distant, avec les autres étoiles précédemment présentes dans le système éjectées dans l'espace interstellaire à des vitesses élevées. Cette dynamique peut expliquer les étoiles en fuite qui auraient pu être éjectées lors d'une collision de deux groupes d'étoiles binaires ou d'un système multiple. Cet événement est crédité d'avoir éjecté AE Aurigae , Mu Columbae et 53 Arietis à plus de 200 km·s ⁻¹ et a été attribué à l' amas du Trapèze dans la nébuleuse d'Orion il y a environ deux millions d'années.

Les composants de plusieurs étoiles peuvent être spécifiés en ajoutant les suffixes A , B , C , etc. à la désignation du système. Des suffixes tels que AB peuvent être utilisés pour désigner la paire constituée de A et B. La séquence de lettres B , C , etc. peut être attribuée dans l'ordre de séparation du composant A. [ Les composants découverts à proximité d'un composant déjà connu peuvent se voir attribuer des suffixes tels que Aa , Ba , etc.

Le catalogue d'étoiles multiples de AA Tokovinin utilise un système dans lequel chaque sous-système d'un diagramme mobile est codé par une séquence de chiffres. Dans le diagramme mobile (d) ci-dessus, par exemple, le système le plus large se verrait attribuer le numéro 1, tandis que le sous-système contenant son composant principal serait numéroté 11 et le sous-système contenant son composant secondaire serait numéroté 12. Les sous-systèmes qui apparaîtraient en dessous de ce chiffre dans le diagramme mobile se verraient attribuer des numéros à trois, quatre ou plus de chiffres. Lors de la description d'un système non hiérarchique par cette méthode, le même numéro de sous-système sera utilisé plus d'une fois ; par exemple, un système avec trois composants visuels, A, B et C, dont deux ne peuvent pas être regroupés dans un sous-système, aurait deux sous-systèmes numérotés 1 désignant les deux binaires AB et AC. Dans ce cas, si B et C étaient ensuite résolus en binaires, ils se verraient attribuer les numéros de sous-système 12 et 13.

La nomenclature actuelle des étoiles doubles et multiples peut prêter à confusion, car les étoiles binaires découvertes de différentes manières reçoivent des désignations différentes (par exemple, les désignations de découvreur pour les étoiles binaires visuelles et les désignations d'étoiles variables pour les étoiles binaires à éclipses), et, pire encore, les lettres des composants peuvent être attribuées différemment par différents auteurs, de sorte que, par exemple, le A d'une personne peut être le C d'une autre . Les discussions qui ont débuté en 1999 ont abouti à quatre propositions de schémas pour résoudre ce problème :

• KoMa, un système hiérarchique utilisant des lettres majuscules et minuscules et des chiffres arabes et romains ;
• La méthode de désignation Urban/Corbin, un système numérique hiérarchique similaire au système de classification décimale Dewey ;
• La méthode de désignation séquentielle, un système non hiérarchique dans lequel les composants et les sous-systèmes se voient attribuer des numéros par ordre de découverte ; et
• WMC, le Washington Multiplicity Catalog, un schéma hiérarchique dans lequel les suffixes utilisés dans le Washington Double Star Catalog sont étendus avec des lettres et des chiffres suffixés supplémentaires.

Pour un système de désignation, l'identification de la hiérarchie au sein du système présente l'avantage de faciliter l'identification des sous-systèmes et le calcul de leurs propriétés. Cependant, cela pose des problèmes lorsque de nouveaux composants sont découverts à un niveau supérieur ou intermédiaire par rapport à la hiérarchie existante. Dans ce cas, une partie de la hiérarchie se déplace vers l'intérieur. Les composants qui s'avèrent inexistants ou qui sont ultérieurement réaffectés à un autre sous-système posent également des problèmes.

Lors de la 24e Assemblée générale de l' Union astronomique internationale en 2000, le système WMC a été approuvé et les commissions 5, 8, 26, 42 et 45 ont décidé qu'il devait être étendu pour former un système de désignation uniforme utilisable. Un échantillon d'un catalogue utilisant le système WMC, couvrant une demi-heure d' ascension droite , a ensuite été préparé. La question a été à nouveau discutée lors de la 25e Assemblée générale en 2003, et les commissions 5, 8, 26, 42 et 45, ainsi que le groupe de travail sur l'interférométrie, ont de nouveau décidé que le système WMC devait être étendu et développé davantage.

L'échantillon WMC est organisé de manière hiérarchique ; la hiérarchie utilisée est basée sur les périodes orbitales ou les séparations observées. Comme il contient de nombreuses étoiles doubles visuelles , qui peuvent être optiques plutôt que physiques, cette hiérarchie peut n'être qu'apparente. Elle utilise des lettres majuscules (A, B, ...) pour le premier niveau de la hiérarchie, des lettres minuscules (a, b, ...) pour le deuxième niveau et des chiffres (1, 2, ...) pour le troisième. Les niveaux suivants utiliseraient des lettres minuscules et des chiffres en alternance, mais aucun exemple de cela n'a été trouvé dans l'échantillon.

• Sirius , une étoile binaire composée d'une étoile de type A de la séquence principale et d'une naine blanche
• Procyon , qui est similaire à Sirius
• Mira , une variable composée d'une géante rouge et d'une naine blanche
• Delta Cephei , une variable céphéide
• Almaaz , une binaire à éclipses
• Spica

• Alpha Centauri est une étoile triple composée d'une naine jaune binaire principale et d'une paire de naines orange ( Rigil Kentaurus et Toliman ), et d'une naine rouge périphérique , Proxima Centauri . Ensemble, Rigil Kentaurus et Toliman forment une étoile binaire physique , désignée par Alpha Centauri AB, α Cen AB ou RHD 1 AB, où AB indique qu'il s'agit d'un système binaire . orbite modérément excentrique de la binaire peut rapprocher les composants jusqu'à 11 UA ou les éloigner jusqu'à 36 UA. Proxima Centauri, également (bien que moins fréquemment) appelée Alpha Centauri C, est beaucoup plus éloignée (entre 4 300 et 13 000 UA) d'α Cen AB, et orbite autour de la paire centrale avec une période de 547 000 (+66 000/-40 000) ans.
• Polaris ou Alpha Ursae Minoris (α UMi), l'étoile du Nord, est un système stellaire triple dans lequel l'étoile compagnon la plus proche est extrêmement proche de l'étoile principale, si proche qu'elle n'était connue que par son attraction gravitationnelle sur Polaris A (α UMi A) jusqu'à ce qu'elle soit photographiée par le télescope spatial Hubble en 2006.
• Gliese 667 est un système stellaire triple composé de deux étoiles de la séquence principale de type K et d'une naine rouge . La naine rouge, C, abrite entre deux et sept planètes, dont une, Cc, ainsi que les planètes Cf et Ce non confirmées, sont potentiellement habitables.
• HD 188753 est un système d'étoiles triples situé à environ 149 années-lumière de la Terre dans la constellation du Cygne . Le système est composé de HD 188753A, une naine jaune ; HD 188753B, une naine orange ; et HD 188753C, une naine rouge . B et C orbitent l'une autour de l'autre tous les 156 jours et, en tant que groupe, orbitent autour de A tous les 25,7 ans.
• Fomalhaut (α PsA, α Piscis Austrini) est un système stellaire triple de la constellation du Poisson austrinus . Il a été découvert en 2013 qu'il s'agissait d'un système triple, lorsque l'étoile à éruption de type K TW Piscis Austrini et la naine rouge LP 876-10 ont toutes deux été confirmées comme partageant un mouvement propre dans l'espace. L'étoile primaire possède un disque de poussière massif similaire à celui du système solaire primitif , mais beaucoup plus massif. Il contient également une géante gazeuse, Fomalhaut b . La même année, l'étoile tertiaire, LP 876-10, a également été confirmée comme abritant un disque de poussière.
• HD 181068 est un système triple unique, composé d'une géante rouge et de deux étoiles de la séquence principale. Les orbites des étoiles sont orientées de telle manière que les trois étoiles s'éclipsent mutuellement.

• Capella , une paire d' étoiles géantes autour desquelles gravite une paire de naines rouges , à environ 42 années-lumière du système solaire. Sa magnitude apparente est d'environ 0,08, ce qui fait de Capella l'une des étoiles les plus brillantes du ciel nocturne.
• 4 Centaures
• On dit souvent que Mizar a été la première étoile binaire découverte lorsqu'elle a été observée en 1650 par Giovanni Battista Riccioli ^{, p. 1} mais elle a probablement été observée plus tôt, par Benedetto Castelli et Galilée . Plus tard, la spectroscopie de ses composants Mizar A et B a révélé qu'ils sont tous deux des étoiles binaires eux-mêmes.
• HD 98800
• Le système PH1 comprend la planète PH1 b (découverte en 2012 par le groupe Planet Hunters , une partie du Zooniverse ) en orbite autour de deux des quatre étoiles, ce qui en fait la première planète connue à être dans un système stellaire quadruple.
• KOI-2626 est le premier système stellaire quadruple avec une planète de la taille de la Terre.
• Xi Tauri (ξ Tau, ξ Tauri), située à environ 222 années-lumière , est une étoile quadruple spectroscopique à éclipses composée de trois étoiles de type B bleu-blanc de la séquence principale et d'une étoile de type F. Deux des étoiles sont sur une orbite rapprochée et tournent l'une autour de l'autre une fois tous les 7,15 jours. Celles-ci tournent à leur tour autour de la troisième étoile une fois tous les 145 jours. La quatrième étoile tourne autour des trois autres étoiles environ tous les cinquante ans.

• Dabih
• Mintaka
• HD 155448
• KIC 4150611
• 1SWASP J093010.78+533859.5

• Bêta Tucanae
• Castor
• HD 139691
• TYC 7037-89-1
• Si Alcor est considéré comme faisant partie du système Mizar , le système peut être considéré comme un sextuple.

• Jabbah
• AR Cassiopée
• V871 Centaure

• Gamma Cassiopée

• QZ Carinae