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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, Yang Wei-Té, Astronome impérial à la cour de Chine sous la dynastie Sung découvrit un matin, peu avant le lever du Soleil, une "étoile invitée" plus brillante que Vénus, à la place actuelle de la célèbre nébuleuse de la constellation du Taureau. Il consigna sa découverte dans les annales et connaissant trop bien les coutumes de son temps, il annonça  un présage favorable à son maître. L'étoile invitée resta visible en plein jour pendant 23 jours. Par la suite, elle resta visible la nuit durant 2 ans. Comme on le voit ci-dessous à gauche, les Pueblos, ancêtres des amérindiens Hopi du Colorado l'aurait comparée dans leurs peintures à l'éclat de la Lune[10].

Sans le savoir, ces observateurs avaient assisté en direct à l'explosion d'une supernova dont l'éclat était équivalent à celui de 250 millions de soleils !

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

Simulations de l'explosion de la supernova de 1054 (gauche) qui donna naissance à la nébuleuse du Crabe, M1. A droite, zoom avant sur la nébuleuse du Crabe. Cliquer sur les images pour lancer les animations. Documents Mov de 3.9 MB et Mpeg de 6.4 MB préparés par le Space Telescope.

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.

Un autre cas typique qui semble aussi être le résidu d'une supernova est la nébuleuse Gum, une extension de la nébuleuse de Vela 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 !

A consulter : Catalogue des résidus de supernovae

Quelques exemples de résidus ou rémanents de supernovae (SNR). La plupart des nébuleuses de ce type ont une forme annulaire mais elles peuvent également être bipolaires ou totalement déformées si le vent stellaire n'est pas homogène. Ci-dessus à gauche, M1, la nébuleuse du Crabe dans le Taureau. Après avoir libéré son atmosphère extérieure, la supernova s'est transformée en pulsar (PSR B0531+21). Au centre, NGC 6751. A droite, NGC 6302. Ci-dessous à gauche, la partie NE des Dentelles du Cygne, NGC 6995 qui s'étend sur 0.5° (12 a.l.) soit l'équivalent du diamètre apparent de la Lune. Voici l'image complète de la nébuleuse. La Dentelle se compose d'oxygène OII (bleu), de soufre SI froid (rouge) et d'un fin nuage d'hydrogène (vert), ces deux éléments étant à présent froids car situés derrière le front de choc. A droite, les résidus de la nébuleuse Gum dans la constellation de la Carène et de la supernova de Vela SNR G263.9-03.3 dans la constellation des Voiles. Sur l'agrandissement, le champ couvre 16°. Il s'agit d'une mosaïque de 60 images. L'étoile jaune à gauche est λ Velorum, la bleue en-dessous à droite est γ Velorum dont l'une des composantes est une étoile Wolf-Rayet et la bleue au-dessus à droite est ζ (Zeta) Puppis. Cette zone abrite notamment le pulsar Vela, PSR B0833-45. Documents NASA/ESA/STScI, Paul Mortfield/Stefano Cancelli et Bob Gendler/DSS.

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 (2e 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’évènement 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 résidus de supernovae (SNR) étudiés par le rayonnement X par le satellite 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, des rayons X et gamma. 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 aux effets dévastateurs et massifs des rayonnements ionisants. Documents CXC.

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 !

L'observatoire de Tim Puckett, chasseur de 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. Une 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.

Aujourd'hui, le record d'énergie libérée par une étoile est détenu par la supernova ASASSN-15lh (SN 2015L) qui explosa le 5 juin 2015 en libérant 2x1038 W, soit dix fois plus d'énergie que le précédent record. A titre de comparaison, la surface du Soleil irradie 3.8x1026 W. La supernova fut découverte en juillet 2015 grâce aux télescopes jumeaux ASAS-SN de 14 cm de diamètre installés à l'Observatoire de Cerro Tololo au Chili dédiés à la recherche des supernovae. Située à 3.8 milliards d'années-lumière, elle atteignit la magnitude visuelle +16.9 pour une magnitude absolue d'environ -22.

De nombreux 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.

A gauche et au centre, une supernova détectée par le Telescope Spatial Hubble à une distance de plusieurs milliards d'années-lumière. A droite, illustration artistique de l'interaction de l'étoile géante juste avant qu'elle n'explose en supernova en 1993 (1993J). Document NASA/ESA/STScI et ESA/Justyn R.Maund/U.Cambridge).

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 évènement, 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. Dans son livre "L'homme qui courait après son étoile" (1998), l'astronome Jean Paul[12] spécialiste des rayons gamma au 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. S'il est un fait que la Terre est balayée en permanence par des rayons cosmiques dont une grande partie émis par des supernovae, rien ne prouve que les hommes préhistoriques ont subit des mutations suite à ce phénomène.

Enfin, les étoiles géantes de Population III qui sont apparues un court instant dans le jeune univers et dont la masse moyenne dépassait largement  les 100 M, ont selon toute vraisemblance explosé en hypersupernovae. Leur éclat devait être équivalent à celui de plusieurs centaines de milliards d'étoiles et donc supérieur à celui d'une grande galaxie. Leur explosion irradia l'espace de rayonnements ionisants mortels sur plusieurs milliers d'années-lumière !

Les hypernovae et les GRB

Les hypernovae sont 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 25 fois plus massives que le Soleil prises dans un intense champ magnétique soit d'un système binaire compact dont les étoiles entrent en collision. En effet, il s'agit des seuls pénomènes astronomiques suffisamment violents pour émettre des rayons gamma aussi intenses. Dans tous les cas, vu la masse élevée de l'une des composantes, cette étreinte fatale donne obligatoirement naissance à un trou noir.

Deux candidates d'hypernovae car dans les faits on ignore de quoi il s'agit. A gauche, une hypernova découverte en 2003 par le satellite HETE-II. L'émission gamma provient d'un objet inconnu dénommé GRB 030329 situé à 2.65 milliards d'années-lumière et correspond à l'énergie libérée par l'explosion d'un astre de 25 masses solaires. A droite, une hypernova découverte dans la galaxie M101 de la Grande Ourse en 1999. Lire aussi l'analyse de S.L.Snowden et sn équipe effectuée en 2001. Document ESO et Y.Chu/UIUC.

Les hypernovae pourraient expliquer les explosions de rayons gamma, les fameux GRB (Gamma-Rays Bursts) qu'on observe de temps en temps dans le ciel comme ce fut le cas le 20 mai 1999 dans la galaxie M101 et le 29 mars 2003 dans une source située à 2.65 milliards d'années-lumière comme on le voit ci-dessus et dont l'origine est toujours inconnue.

Pour résoudre cette énigme, les astronomes ont besoin d'instruments à très haute résolution, tant dans le domaine radio qu'en optique pour rassembler de nouvelles données et affiner leurs modèles afin d'établir des prédictions, ce qu'ils ne possèdent pas aujourd'hui et pas avant longtemps. Aussi pour l'heure l'origine des hypernovae et des GRB représente l'un des plus grands mystères de l'univers.

Prochain chapitre

Les étoiles neutrons

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[10] s/dir A.Aveni, “World Archaeoastronomy”, op.cit., p145.

[11] I.Asimov, "Ces soleils qui explosent", Payot, 1987, p102.

[12] J.Paul, “L’homme qui courait après son étoile”, Odile Jacob, 1998, p167.


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