Aperçus du catalogue des étoiles binaires de Gaia

En juin 2022, la mission Gaia a partagé un catalogue impressionnant détaillant les orbites de 168 065 systèmes d'étoiles binaires. Cette collection est la plus grande de son genre. Ce qui la rend spéciale ? Toutes ces données orbitales ont été recueillies à partir des propres informations de Gaia, contrairement aux Catalogues précédents qui rassemblaient des données de diverses sources et méthodes.

Caractériser la fonction de sélection de ce catalogue est tout un défi. Vous voyez, une fonction de sélection nous aide à comprendre pourquoi certaines étoiles ont été choisies et d'autres non. Savoir cela est essentiel pour comprendre ce qu'il y a vraiment dans le catalogue. On a utilisé un mélange de méthodes analytiques et empiriques pour déterminer la probabilité qu'une étoile binaire avec des propriétés spécifiques soit incluse dans la Data Release 3 de Gaia.

Pour tester notre modèle, on a créé une simulation de populations d'étoiles binaires et découvert que nos résultats correspondaient assez bien au catalogue réel, sauf pour la distribution des formes de leurs orbites. Le catalogue suggère que des orbites très allongées sont rares pour les étoiles avec des périodes moyennes.

Comme exemple sympa, on a regardé les chances de détecter trois systèmes d'étoiles binaires avec une étoile et un trou noir grâce à Gaia. On a estimé le nombre de systèmes similaires dans la Galaxie et trouvé des chiffres intéressants.

Gaia est une énorme mission spatiale qui a été chargée de cartographier plus de deux milliards d'étoiles dans la Voie lactée. Elle a commencé sa mission principale en 2014 et devrait continuer à recueillir des données jusqu'en 2025. Au fil des ans, les données ont été mises à la disposition du public dans diverses versions.

Dans les premières versions des données de Gaia, on ne traitait que des étoiles uniques. Mais dans la Data Release 3, pour la première fois, ils ont compilé un catalogue d'étoiles non uniques. Cela a ouvert un monde de recherche sur les systèmes d'étoiles binaires et multiples. Déjà, des scientifiques ont mesuré la masse d'une étoile en orbite autour d'un trou noir pour la première fois, entre autres découvertes.

Pour étudier les binaires trouvés dans ce nouveau catalogue de manière approfondie, il faut comprendre comment fonctionnent les effets de sélection. L'équipe de Gaia prévient que ce n'est pas une tâche facile. En plus, il est important de noter que toutes les versions de données jusqu'à présent ne montrent que des paramètres de modèle, manquant les mesures brutes qui nous permettraient de reproduire pleinement leurs processus.

Dans ce travail, nous nous concentrons sur les orbites astrométriques des binaires, principalement celles comprenant une étoile et un trou noir. On a pris une approche simple pour simuler les étapes de création du catalogue, car c'est moins exigeant en ressources que de modéliser chaque observation individuellement.

#Pipeline de traitement de Gaia pour les étoiles non uniques

Le traitement du catalogue des étoiles non uniques a été conçu pour privilégier la précision plutôt que la complétude. Cela a signifié que de nombreuses étapes de filtrage étaient mises en place pour éliminer des solutions potentiellement inexactes, ce qui a malheureusement conduit à manquer certaines valides. Notre but était de comprendre les effets de ces filtres.

Le catalogue a été divisé en quatre tableaux catégorisés par différents modèles, et on s'est concentré sur ceux avec des orbites astrométriques. Pour commencer, ils ont d'abord filtré l'ensemble du catalogue pour identifier des candidats appropriés pour l'analyse. Ils ont commencé avec des solutions d'étoiles uniques et ont appliqué plusieurs filtres pour affiner la liste.

Ces filtres examinaient divers facteurs, y compris la luminosité de l'étoile et la qualité des observations. Cependant, on a décidé de ne modéliser qu'un filtre particulier et d'en laisser d'autres de côté puisqu'ils visaient à éliminer les faux positifs et n'affecteraient pas significativement notre modélisation.

#Modélisation de la population binaire

Ensuite, on a construit un modèle pour simuler des étoiles binaires, car le catalogue initial ne contenait que des étoiles uniques. On a utilisé une méthode qui regardait tous les types d'étoiles, ce qui nous a donné une meilleure idée de ce à quoi ressemblait la population binaire.

On s'est concentré sur les étoiles dans un certain rayon autour du Soleil, spécifiquement 2 000 parsecs. À l'intérieur de cette zone, on avait une bonne représentation des étoiles, et on ne pouvait pas inclure des étoiles éloignées puisque Gaia ne pourrait pas détecter efficacement leurs orbites.

On a construit ce modèle sur l'idée qu'il existe plusieurs populations d'étoiles dans notre Galaxie, chacune avec des propriétés et des distributions différentes.

En assemblant ce modèle, on devait tenir compte de l'évolution des étoiles, en particulier celles qui deviendraient des objets compacts comme les trous noirs et les étoiles à neutrons. Cela signifie qu'on a pris en compte les différentes étapes que ces étoiles traversent au cours de leur vie.

Il est intéressant de noter que le compte final de binaires avec lequel on a travaillé était d'environ 170 millions. Ce nombre a ensuite été associé aux propriétés des trous noirs pour enquêter si on pouvait les détecter aux côtés de leurs compagnons stellaires.

#Création d'un faux catalogue

En utilisant notre modèle, on a commencé à créer un faux catalogue qui visait à imiter les données réelles de Gaia. Cela voulait dire passer par tous les filtres et ajustements que l'on a discutés auparavant. C'était un peu comme essayer de cuire un gâteau en omettant des ingrédients essentiels et en espérant que ça fonctionne.

Après avoir traversé les différentes étapes de filtrage, on s'est rendu compte que de nombreuses binaires qui auraient pu entrer dans le catalogue n'avaient pas été détectées parce qu'elles étaient trop faibles ou avaient de longues Périodes orbitales.

En fait, notre simulation initiale a commencé avec beaucoup plus de 170 millions d'étoiles avant de descendre à environ 168 065 - le double du nombre d'étoiles réellement inclus dans le catalogue NSS. Cette divergence a soulevé quelques sourcils, mais on a quand même pu fournir des informations utiles pour les études futures.

#Analyse des effets de sélection

Un des objectifs principaux de notre recherche était d'analyser les effets de sélection en jeu dans le catalogue. On s'est concentré sur combien d'étoiles étaient probablement assez spéciales pour être incluses dans le produit final et ce que cela signifiait pour notre compréhension des populations d'étoiles binaires.

Comme notre travail impliquait de générer un modèle de population, il fallait s'assurer que les étoiles et leurs propriétés étaient représentées fidèlement. Cela incluait d'examiner différents aspects de leurs orbites et comment ils pourraient affecter ce que nous remarquons dans le catalogue.

Pour comparer nos résultats avec le catalogue réel, on a produit des graphiques montrant les distributions de différentes propriétés comme les périodes orbitales et les excentricités. Dans l'ensemble, nos résultats ont montré certaines similitudes avec le catalogue réel mais ont mis en évidence la distribution des excentricités comme une divergence significative.

#Estimation des populations de trous noirs

Pour aller plus loin dans notre travail, on a estimé la population de binaires de trous noirs dans la Galaxie. On a utilisé notre modèle pour savoir combien de binaires étoile-trou noir pourraient être dans le voisinage du Soleil.

Par exemple, on a regardé différentes périodes orbitales, évaluant combien de ces systèmes on pourrait détecter en utilisant les capacités de Gaia. Nos estimations ont suggéré qu'il pourrait y avoir environ 2 000 binaires de type Soleil et trou noir, menant à des découvertes potentielles excitantes dans les futures versions de données de Gaia.

#Définir les limitations

Chaque bonne exploration a ses défis, et la nôtre n'a pas été différente. Comme on l'a noté, les techniques de filtrage que l'on a utilisées étaient empiriques, ce qui signifie qu'elles étaient construites à partir de données observées plutôt que dérivées de la physique théorique.

Cette méthode avait ses avantages et ses inconvénients. D'un côté, elle nous a permis de modéliser rapidement une grande quantité de données ; cependant, cela signifiait également qu'on ne pouvait pas garantir que nos résultats s'appliqueraient à chaque système d'étoiles binaires individuel.

Cela dit, plus on affine ces modèles, mieux notre compréhension s'améliorera, notamment avec la prochaine sortie de la Data Release 4 de Gaia, qui promet encore plus de données à analyser pour les chercheurs.

#Conclusion : Regarder vers l'avenir

En résumé, notre travail éclaire la fonction de sélection du catalogue de la Data Release 3 de Gaia. En construisant un modèle qui capture les complexités des populations d'étoiles binaires, on espère contribuer des informations précieuses pour les études futures de notre Galaxie.

Avec les nouvelles données à l'horizon, on est excités par les découvertes qui nous attendent. Après tout, l'univers est un vaste endroit rempli de trésors cachés, et avec chaque nouvelle donnée, on se rapproche un peu plus de percer ses secrets.

Alors, gardez les yeux rivés sur les étoiles, car la prochaine grande découverte pourrait bien être juste au coin de la rue !