Dans sa recherche de planètes extrasolaires, le télescope spatial Kepler recherche des étoiles dont le flux lumineux diminue périodiquement, signalant le passage d'une planète en orbite devant l'étoile. Mais le moment et la durée des épisodes de flux lumineux diminués détectés par Kepler provenant du KIC 846852, connue sous le nom d'étoile de Tabby, sont un mystère. Ces événements de gradation varient en amplitude et ne se produisent pas à intervalles réguliers, faire d'une planète en orbite une explication improbable. La source de ces événements d'obscurcissement inhabituels fait l'objet d'intenses spéculations.

Suggestions d'astronomes, astrophysiciens, et les astronomes amateurs sont allés des ceintures d'astéroïdes à l'activité extraterrestre.

Aujourd'hui, une équipe de scientifiques de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, l'étudiant diplômé en physique Mohammed Sheikh, en collaboration avec les professeurs Karin Dahmen et Richard Weaver, propose une solution entièrement nouvelle au puzzle de l'étoile de Tabby. Ils suggèrent que les variations de luminosité peuvent être intrinsèques à l'étoile elle-même. L'étoile de Tabby est à bien des égards une étoile standard de classe F, situé dans la constellation du Cygne, environ 1, 276 années-lumière de la Terre. Sa courbe de lumière inhabituelle (le graphique de son intensité lumineuse en fonction du temps) montre des événements de gradation intenses allant jusqu'à 20 %, ponctué d'événements de gradation irréguliers plus petits.

Commentaires du tisserand, "Il y a quelques signes révélateurs d'occultation, ou obscurcissant par un corps indépendant bloquant la vue. Le plus important est la périodicité. Dans l'étoile de Tabby, les petits et les grands événements ne sont pas périodiques - ils ne se produisent pas à intervalles réguliers - et c'est l'un des mystères centraux de la courbe de lumière. "

L'équipe de l'Illinois a appliqué une analyse statistique aux plus petites variations irrégulières de la courbe de lumière. Ce qu'ils ont trouvé est un modèle mathématique cohérent avec un modèle d'avalanche bien établi :les plus petits événements de gradation sont le « bruit de crépitement » ou les petites avalanches qui sont observées pendant les intervalles de temps entre les plus grandes avalanches, équivalent aux événements de gradation plus importants. Les petits événements de gradation sont disponibles dans une gamme de tailles remarquablement large, qui sont distribués selon une loi d'échelle simple. Ces résultats suggèrent que les événements de gradation peuvent être intrinsèques à l'étoile de Tabby et que l'étoile peut être proche du point critique d'une transition de phase continue sous-jacente.

Cheikh a effectué les calculs pour l'analyse des données d'observation. Il explique la méthode mathématique, qui commence par établir un seuil de gradation médian à travers la courbe de lumière.

« Le seuil est un artifice auquel on recourt pour définir ce qu'est une avalanche dans le contexte de la courbe de lumière. En effet, les statistiques sont assez robustes à l'endroit où nous choisissons le seuil, donc la valeur exacte n'est pas importante. Ce qui est important, c'est que nous ayons suffisamment d'avalanches pour faire des statistiques.

Une fois que la courbe de lumière descend en dessous du seuil, nous considérons un tel événement comme le début d'une avalanche. Tant que la courbe de lumière reste en dessous du seuil, l'avalanche continue, et il s'arrête lorsqu'il augmente à nouveau jusqu'à une valeur supérieure au seuil."

Les avalanches ont deux propriétés principales, taille et durée. La taille est la surface totale délimitée par la courbe de lumière (sous le seuil) et le seuil.

La taille de l'avalanche, " poursuit Cheikh, "est lié à la diminution nette de l'énergie émise par l'étoile pendant l'événement de gradation, par rapport à un taux d'émission constant de l'étoile, ou la valeur seuil constante. La durée de l'avalanche est la durée de l'événement. Nous regardons également la densité spectrale de puissance, qui est liée à la quantité de puissance par unité de fréquence contenue dans la courbe de lumière.

"Essentiellement, nous regardons les distributions statistiques des fluctuations. Toutes ces choses sont associées à des lois de puissance. Cela nous donne un moyen indépendant d'interpréter les événements et de vérifier la cohérence avec le modèle."

Les lois de puissance ont la particularité intéressante qu'elles se ressemblent à différentes échelles. Ainsi, lorsque vous effectuez un zoom avant sur de petites échelles et des durées courtes, vous obtenez les mêmes types de distributions statistiques que lorsque vous effectuez un zoom arrière sur des échelles plus grandes et des durées plus longues. Les lois de puissance reflètent l'auto-similitude du système sur une large gamme d'échelles de durée et de temps - similaires aux fractales - qui se ressemblent lorsque vous zoomez ou dézoomez.

Significativement, les statistiques des plus petits événements de gradation de l'étoile Tabby sont cohérentes avec les prédictions d'une théorie de la mise à l'échelle. Dans son corpus de recherche, Dahmen a établi qu'un modèle de mise à l'échelle de petits événements ponctué d'événements plus importants est typique des systèmes proches d'une transition de phase. Elle l'a vu dans la dynamique de déformation intermittente des nanocristaux, les statistiques d'événements des verres métalliques, rochers, et matériaux granulaires, et dans les tremblements de terre à des échelles beaucoup plus grandes s'étendant sur 12 décennies. Des types similaires d'avalanches sont également observés dans les avalanches de neurones dans le cerveau, dans les systèmes magnétiques, et dans de nombreux autres systèmes de matière condensée.

"Nous savons d'autres systèmes proches des transitions de phase hors d'équilibre qu'un système peut avoir de petits événements qui montrent une mise à l'échelle de la loi de puissance et de grands événements qui ont une dynamique différente, " explique Dahmen. " Des exemples de telles transitions sont des systèmes magnétiques qui sont lentement entraînés avec un champ magnétique, ou la lente déformation de matériaux quelque peu cassants où il y a souvent d'abord un petit craquement qui devient de plus en plus fort jusqu'à ce qu'il y ait un gros claquement lorsque le matériau se brise. serait l'analogue du gros snap, " poursuit-elle. " Notre modèle de champ moyen est en fait capable de prendre en compte les deux, petits événements et grands. Il a un mécanisme d'"affaiblissement" intégré qui explique pourquoi il devrait y avoir deux types d'avalanches."

Si les événements de gradation sont associés à une transition de phase venant en sens inverse, Vers quoi l'étoile effectuerait-elle la transition et dans quel laps de temps ? Weaver explique, "Au fur et à mesure que de plus en plus de données sont analysées, nous espérons qu'il sera possible d'identifier exactement de quel type de transition il s'agit. Nous n'avons pas une compréhension suffisamment approfondie pour obtenir une réponse définitive, et plus d'observations sont nécessaires. Nous ne pouvons que spéculer sur ce que serait une telle transition."

"Il est important de noter que le manque de périodicité à lui seul n'est pas suffisant pour exclure l'occultation. C'est en partie la raison pour laquelle les théories telles que les comètes ou les débris planétaires sont si populaires. Nous ne pouvons pas définitivement exclure ces choses avec nos découvertes, mais nous pouvons dire que les lois de puissance que nous avons obtenues sont plus cohérentes avec la variation intrinsèque."

Dahmen ajoute, "Notre travail donne un cadre sur la façon d'analyser les données et peut-être même de classer les étoiles en fonction de leur proximité ou de leur distance par rapport à une telle transition. Ces outils d'analyse statistique ont été testés et appliqués avec succès au bruit d'avalanche dans les systèmes magnétiques et déformation plastique.Nous transportons ces outils en astrophysique pour en savoir plus sur la dynamique des étoiles et éventuellement comparer différentes étoiles.

"Dans une prochaine étape, nous pensons que le même type d'analyse devrait être appliqué à d'autres étoiles pour voir à quel point ces statistiques de fluctuation sont universelles parmi les étoiles déjà connues. En d'autres termes, nous utiliserions les statistiques du bruit dans les courbes de lumière dans ces étoiles pour apprendre quelque chose sur les processus dynamiques qui se déroulent à l'intérieur de l'étoile."

Cette recherche est publiée dans le numéro du 19 décembre de Lettres d'examen physique .