La diversité des étoiles

Les résidus de supernovae (IV)

L'explosion d'une supernova fait de la nova un bien pâle phénomène. Un bel exemple réminiscent est celui de la nébuleuse du Crabe, M1. En l'an 1054, les astronomes chinois ont distingué une "étoile invitée" soudainement dans le ciel, à la place actuelle de la célèbre nébuleuse de la constellation du Taureau. Les Pueblos, ancêtres des indiens Hopi du Colorado l'aurait comparée dans leurs peintures à l'éclat de la Lune^[9]. 

A gauche la supernova observée par les indiens Pueblos en 1054 brillait autant que la Lune. Elle donnera naissance à la nébuleuse du Crabe, M1. Document Caltech/Carnegie Institution/W.C.Miller. A droite l'étoile de Tycho, une supernova qu'il observa en 1572. Dessin extrait des oeuvres complètes de Tycho Brahé publiées en 1648.

Un autre bel exemple est la dentelle du Cygne, NGC 6992/6995, également appelée la nébuleuse des Voiles ou la Boucle du Cygne. Située à une distance d'environ 2500 années-lumière, cette nébuleuse très effilochée et déformée représente le dernier témoin réminiscent de l'atmosphère d'une supernova qui explosa voici quelque 30000 ans. Elle grandit actuellement à une vitesse de 6" par siècle et parcourt 116 km/sec. Dispersée sur 100 années-lumière ou 3°, elle est si vaste qu'aucun télescope ne peut la capturer dans son ensemble. La nébuleuse du Crabe lui ressemblera d'ici 30 à 50000 ans.

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Poussières d'étoiles Voici quatre résidus de supernovae. La plupart des nébuleuses de ce type ont une forme annulaire mais elles peuvent également être bipolaires (MZ3) ou totalement déformées si le vent stellaire n'est pas homogène (La Dentelle). Ci-dessus à gauche M1, la nébuleuse du Crabe dans le Taureau photographiée par le HST fin 2005. C'est l'image de M1 la plus détaillée à ce jour. Après avoir libéré son atmosphère extérieure, la supernova s'est transformée en pulsar. A droite NGC6751. Ci-dessous MZ3 et la partie NE des Dentelles du Cygne, NGC 6995. La Dentelle se compose d'oxygène OII (bleu), de soufre S1 froid (rouge) et d'un fin nuage d'hydrogène (vert), ces deux éléments étant à présent froids car situés derrière le front de choc. Cliquer sur les images pour les agrandir. Documents Space Telescope, NASA/STSCI/HST et NASA/ESA.

Un autre cas typique qui semble aussi être le résidu d'une supernova est la nébuleuse Gum, une extension de la nébuleuse des Voiles qui s'étend sur 60°, de Sirius aux "Sac-à-Charbon" dans l’hémisphère Sud. Des clichés exposés plus de 4 heures ont permis de révéler d'innombrables filaments perdus dans une forme lenticulaire très étendue. L'explosion remonterait à 11000 ans. Le pulsar PSR 0833-45 pourrait être à l’origine de cette nébuleuse brillante qui, soit dit en passant est un pulsar-gamma capable de convertir 1% de son énergie de rotation en photons gamma !

Le 9 octobre 1604 Jan Brunowski, l'assistant de Johannus Kepler, observa l'explosion d'une "nouvelle étoile" dans la Voie Lactée. Kepler l'étudiera jusqu'au début de 1606. Le phénomène sera connu sous le nom de "Nova de Kepler" ou "Etoile de Kepler". L'étoile s'illumina brutalement pour atteindre la magnitude -2.5 puis disparut progressivement aux regards. Ce phénomène inhabituel l'encouragea à écrire son livre "De Stella Nova". Nous savons aujourd'hui qu'il s'agissait d'une supernova qui explosa à 13000 années-lumière. Aujourd'hui le champ stellaire est occupé par une immense bulle de gaz (2^eme image ci-dessous).

De façon générale, il est difficile de savoir si l’astre qu’on observe est bien à l'origine de l’explosion d’une supernova. En effet, pour peu que l’effondrement soit asymétrique, la brutalité de l’événement éjecte l’astre effondré à plusieurs centaines de km/s de son lieu de naissance. Si l’explosion eut lieu voici des centaines de milliers d’années, non seulement il sera très difficile d’établir une corrélation entre une étoile neutron ou un pulsar et l’explosion d’une supernova qui l’aurait engendré, mais depuis ce temps tous les vestiges de l’enveloppe de la supernova auront disparu ou se seront mêlés aux voiles interstellaires. Bien souvent les pulsars restent les seuls témoins de ce cataclysme.

Quelques images extraordinaires des résidus de quelques supernovae (SNR) étudiées par le satellite rayons X Chandra. De gauche à droite SNR 0103-72.6 dans le Petit Nuage de Magellan. Elle forme une sphère quasi parfaite de 150 années-lumière de diamètre; les résidus de l' "étoile de Kepler" qui explosa en 1604; DEM L71 située dans le Grand Nuage de Magellan dont le coeur turquoise est composé de fer et de silicium portés à une température de 10 millions de degrés et enfin SNR N132D située dans le Grand Nuage de Magellan. Le front d'onde brillant qui délimite l'enveloppe extérieure de ces SNR constitue la limite des ondes de choc. Il emporte généralement 50% de l'énergie de l'explosion. Porté à plusieurs millions de degrés et turbulent, il forme la zone de contact entre les ejecta de la supernova et les nuages de gaz froids interstellaires. Le choc entre les deux milieux génère une intense énergie qui libère de la chaleur et des rayons X. A l'image d'une puissante explosion atomique, une supernova représente donc un phénomène excessivement dangereux dont l'explosion près du système solaire (~100 a.l.) conduirait probablement à une extinction massive suite à la manifestation de tous ces effets dévastateurs. Documents Chandra.

Les supernovae extagalactiques

En général une supernova apparaît dans une galaxie extérieure, atteignant la magnitude du noyau galactique, totalisant à elle seule la luminosité d'un milliard d'étoiles ! Malheureusement elles sont très rares et nous pouvons scruter le ciel durant des siècles pour avoir la chance d'en observer une seule à l'oeil nu.

Depuis l'an Mille, nous avons des preuves directes selon lesquelles notre Galaxie ne connut que quatre supernovae : CM Tauri en 1054, Cassiopeia B en 1572, l'étoile de Kepler en 1604 et Sanduleak -69°202 en 1987. Isaac Asimov^[11] a cependant rappelé qu'il existe des preuves selon lesquelles la radiosource Cassiopeia A serait le résidu d'une supernova qui explosa en 1667 mais dont personne n'a signalé la présence. Son explosion aurait été occultée par des nuages de poussières. Ainsi entre 1572 et 1667, un observateurs extérieur mais centenaire aurait pu observer 3 supernovae !

SN1993J dans la galaxie M81. C'est la supernova la plus brillante (Mv +8) après SN1987A. SN1995BW (jaune) et SN1997W (bleue) dans la galaxie NGC664 photographiée le 1 février 1997 par Carl Hergenrother. SN1998BU dans la galaxie NGC3368 photographiée le 27 mai 1998. SN2000CJ (bleue) dans la galaxie NGC6753 photographiée par Nick Suntzeff. Documents ISN.

De la même manière, chaque semaine en moyenne une supernova explose dans une galaxie. La plus importante explosion fut observée en 1993 dans la galaxie M81 de la Grande Ourse à 7 millions d'années-lumière (1993J, voir ci-dessus). Cette supernova fut classée seconde par son éclat avec une magnitude visuelle de +8 au maximum, juste derrière SN1987A. Elle fut considérée comme étant la plus brillante supernova observée dans l'hémisphère Nord depuis 1937. Cette étoile était une supergéante rouge dont 10% de la masse fut aspirée par une petite étoile bleue. Ce processus dura plus de 250 ans et affecta l'explosion de la supernova qui fut l'une des plus particulières observées à ce jour. Voici une illustration d'artiste de cette interaction avant que l'étoile géante n'explose (document ESA et Justyn R. Maund/U.Cambridge).

De plus en plus d’astronomes pensent également qu’une supernova explosa au paléolithique non loin de la Terre. En effet toute la zone occupée par le système solaire et les étoiles voisines dans un rayon de 100 à 500 années-lumière autour du Soleil est vide de matière interstellaire, comme si le souffle d’une supernova avait repoussé devant lui toute la matière, laissant à sa place une énorme bulle vide.

Une supernova détectée par Hubble à une distance de plusieurs milliards d'années-lumière. Document NASA/STSCI/HST.

Cela s’étant passé il y a des centaines de milliers d’années, tous les débris de la supernova se sont dissipés dans le milieu ambiant et l’étoile centrale qui aurait éventuellement échappé à cette explosion devrait se trouver quelque part dans le ciel dans un rayon de quelques centaines d’années-lumière autour du Soleil. Seule trace de cet événement, la bulle résiduelle dans laquelle nous baignons est restée plus chaude que son environnement. Le second vestige tangible que nous devrions retrouver sont des traces de radioactivité dans les strates sédimentaires de cette lointaine époque. 

En effet, une partie des éléments formés lors de l’explosion de la supernova consistent en isotopes radioactifs qui ont dû contaminer la Terre au terme de leur périple cosmique. L’astronome J.Paul^[12] du CEA suggère par ailleurs qu’il n’est pas impossible que les chasseurs du paléolithique aient été “éclaboussés” et contaminés par ces résidus cosmiques “au point de susciter je ne sais quelle mutation décisive” chez l’Homo erectus. Rien ne prouve toutefois que cela s’est produit.

Les hypernovae

Citons enfin les hypernovae, une classe d'étoiles qui émet cent fois plus d'énergie qu'une supernova ! 

On ignore comment elles se forment exactement et deux théories ont été proposées : il s'agit soit d'étoiles 5 à 10 fois plus massives que le Soleil prises dans un intense champ magnétique soit de systèmes binaires qui entrent en collision.

Dans tous les cas cette étreinte fatale donnerait naissance à un trou noir avec des émissions intenses de rayonnement gamma. 

Les hypernovae pourraient expliquer les explosions de rayons gamma (Gamma-Rays Bursts ou GRB) que l'on observe de temps en temps dans le ciel comme ce fut le cas le 20 mai 1999 dans la galaxie M101 photographiée ci-contre par le HST et dont la nature est toujours inconnue.

Prochain chapitre

Les étoiles neutrons