|
|
|
La diversité des étoiles
Les supernovae extragalactiques (V) Comme on le voit sur les photos ci-jointes, lorsqu'une supernova apparaît dans une galaxie extérieure, elle peut parfois atteindre la magnitude du noyau galactique, totalisant à elle seule la luminosité d'un milliard d'étoiles ! Malheureusement, nous pouvons scruter le ciel durant des siècles pour avoir la chance d'en observer une seule à l'oeil nu. En fait ce n'est jamais arrivé si on exclut SN 1987A située dans le Grand Nuage de Magellan. En moyenne, chaque semaine une supernova explose dans une galaxie, du moins parmi celles facilement accessibles aux télescopes. En effet, si on pousse les plus grands télescopes jusqu'aux limites de leurs performances en terme de sensibilité, bande passante et de résolution, il est toujours possible de découvrir des supernovae extragalactiques dans les coins les plus reculés de l'univers sur des images dont le champ couvre une fraction de seconde d'arc ou en profitant de l'effet amplificateur des lentilles gravitationnelles. C'est notamment le cas lorsque les astronomes braquent le Télescope Spatial Hubble vers des amas de galaxies lointains comme MACS J1149.6+2223 (voir plus bas). Il est très rare qu'une supernova extragalactique descende sous la magnitude apparente +12. La supernova SN 1994D atteignit la magnitude 11.8, de même que SN 1998BU. Il arrive parfois qu'une supernova extragalactique soit 5 plus brillante. En 1993, on put observer la supernova SN 1993J dans la galaxie M81 de la Grande Ourse située à 7 millions d'années-lumière comme on le voit à droite qui atteignit la magnitude +9.91 en bande U (cf. les courbes lumineuses). Sur la photo elle est de magnitude apparente ~10.5. Pour fixer les magnitudes, l'étoile double située au bas de l'image est de magnitude 9, celles situées à sa droite et à l'extrême droite sont de magnitude ~10.5. Selon une étude publiée par l'équipe de Ji-Feng Liu de l'Université de Michigan dans "The Astrophysical Journal" en 2003, cette supernova fut accompagnée d'un écho lumineux découvert plus de 8 ans après l'explosion qui se propagea jusqu'à plus de 717 années-lumière de distance et dont la surface de brillance était 1000 fois plus dense que la poussière présente dans le milieu interstellaire.
SN 1993J qui apparut dans la galaxier M81 de la Grande Ourse fut la deuxième plus brillante SNe de Type II depuis l'explosion de SN 1987A et fut considérée comme la supernova la plus brillante observée dans l'hémisphère nord depuis 1937. Cette étoile était une supergéante rouge dont 10% de la masse fut accrétée 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. Son compagnon bleu a survécu au cataclysme et comme le montre cette photo, il fut identifié telle une étoile très faible sur les images prises par le Télescope Spatial Hubble. Notons qu'une analyse de la structure radioélectrique de la coquille éjectée par SN 1993J fut publiée dans la revue "Nature" en 1995 et les membres du département de radioastronomie de l'Université de Valence publièrent en 2007 une vidéo montrant l'expansion du SNR enregistrée à 8.4 GHz (36 mm de longueur d'onde).
Nous savons que les supernovae servent d'échelle de distance et offrent parfois des opportunités exceptionnelles pour mesurer les paramètres cosmologiques. Comme on le voit ci-dessus, grâce au Télescope Spatial Hubble, en 1998 les astronomes ont découvert une supernova dans l'amas de galaxies MACS J1149.6+2223 situé à 5 milliards d’années-lumière (z = 0.542). Puis en analysant de nouvelles images, en 2014 ils découvrirent une supernova dénommée "Refsdal" dont l'image était dupliquée 4 fois suite à l'effet d'une puissance lentille gravitationnelle formée par la galaxie située à l'avant-plan (entre les 4 images S1-S4). L'analyse de la distorsion gravitationnelle permit en 2015 de découvrir à proximité une 5e image (SX) de la supernova. En réalité comme l'explique le Centre d'Information de l'ESA, toutes ces supernovae n'en forment qu'une dont les images multiples évoluent en fonction des fluctuations de la densité de matière le long de la ligne de visée. On reviendra sur la supernova Refsdal à propos du calcul de la constante de Hubble. Un phénomène similaire fut découvert dans l'amas massif de galaxies RJX J2129 par le JWST en 2023. Cet amas de galaxies présenté ci-dessous agit comme une lentille gravitationnelle et a généré trois images différentes de la même galaxie hôte située à l'arrière-plan et contenant une supernova (les trois encarts). Plus étonnant encore, chaque image nous arrive avec un délai différent, révélant la supernova à trois époques différentes, ce qui permet de suivre son évolution.
Du fait que ces images multiples sont relativement éloignées les unes des autres et très brillantes, l'analyse de leur distribution et leur confrontation aux modèles cosmologiques a permis aux astronomes de contraindre les paramètres cosmologiques, complétant les données précédentes. Sur base du modèle ΛCDM, les chercheurs ont estimé la constante de Hubble Ho = 70.4 km/s/Mpc à 1 ou 2% près (mais un niveau de confiance de 1σ seulement soit 84.13%), soit 4% inférieure à celle obtenue par Reiss grâce aux données de Gaia. Le paramètre de densité de la matière Ωm = 0.31 à 6% près, une valeur en accord avec les précédentes estimations. A consulter : Latest supernovae - ASA-SN - ISN
Si plusieurs supernovae furent particulièrement brillantes, actuellement la supernova la plus lumineuse est SN 2015L alias ASASSN-15lh (voir plus bas) qui atteignit la magnitude absolue de -23.5 (contre -27 pour le Soleil), suivie par SN 2005ap qui atteignit la magnitude absolue de -22.7. La supernova à effondrement par capture d'électrons (ECSN) Comme expliqué page précédente, jusqu'à présent il n'existait que deux types de supernovae : la supernova thermonucléaire (Type Ia) et la supernova à effondrement de coeur (Type II). En 1980, l'astrophysicien Shigeki Miyaji de l'Université de Tokyo et ses collègues ont soupçonné l'existence d'un troisième type de supernova appelé la supernova à effondrement par capture d'électrons, ECSN en abrégé (electron-capture supernova), mais il manquait une nouvelle observation pour le confirmer. En mars 2018, le chasseur de supernovae amateur Koichi Itagaki, un entrepreneur résidant à Tepp-cho, dans la préfecture de Yamagata, au Japon, découvrit la supernova SN 2018zd dans la galaxie spirale NGC 2146 située à environ 31 millions d'années-lumière dans la constellation de la Girafe (Camelopardalis). Elle s'ajoute aux 105 supernovae, aux 3 astéroïdes et aux 3 comètes qu'il a déja découverts (2021). L'astrophysicien Daichi Hiramatsu de l'Observatoire de Las Cumbres (LCO) en Californie et ses collègues ont découvert que SN 2018zd correspond exactement au modèle des supernovae à effondrement par capture d'électrons. Les résultats de leurs travaux furent publiés dans la revue "Nature Astronomy" en 2021. Lire aussi l'article de Jujia Zhang et ses collègues publié en 2020 sur arXiv. Fait intéressant, SN 2018zd présente des similitudes avec la supernova de l'an 1054 qui donna naissance à la nébuleuse du Crabe, M1, un SNR (supernova remnant). Jusqu'à la découverte de SN 2018zd, la supernova de l'an 1054 était classée parmi les SNe II mais au moment de son explosion elle était 10 fois moins brillante qu'une SN II typique (Mabs -19.7 contre -22.1 pour SN 2008fz) et elle resta visible en plein jour durant 23 jours et durant la nuit pendant 2 ans. Ses caractéristiques rappellent celles de SN 2018zd. La nébuleuse du Crabe est relativement plus brillante que ce que prédit le modèle des SNe II. L'explication serait que sa luminosité a probablement augmenté suite aux collisions entre les éjecta et la matière expulsée par l'étoile progénitrice, un phénomène qu'on retrouve exactement dans SN 2018zd. Selon
les calculs des astrophysiciens, ce type de supernova ne concerne qu'un nombre restreint
d'étoiles, des super-AGB dont la masse sur la Séquence
principale varie entre environ 8 et 10 M Parmi les particularités qui les différencient des autres progénitrices de supernovae, les étoiles super-AGB ont déjà perdu une grande partie de leur enveloppe sous forme de vent stellaire et de poussières et présente par conséquent une composition chimique particulière. De plus, dans ces conditions la capture d'électrons est plus faible que dans une supernova de Type II et génère des éjecta contenant moins d'éléments radioactifs au profit d'éléments plus lourds (plus riches en neutrons).
Comme illustré ci-dessus à droite, le noyau des étoiles super-AGB résiste à l'effondrement grâce à la pression générée par les électrons ou pression thermique (la même que celle régnant dans un gaz chaud). Lorsque le noyau devient suffisamment dense, les atomes de néon et de magnésium commencent à capturer des électrons libres qui sont responsables de la pression maintenant la stabilité du noyau de l'étoile. Comme le montre le schéma, certains protons des noyaux de néon et de magnésium se transforment en neutrons en émettant un neutrino. Ensuite le magnésium-24 se transforme en sodium-24 qui se transforme à son tour en néon-24 par capture d'électrons, tandis que le néon-20 se transforme en fluor-20 puis en oxygène-20. Du fait que des électrons sont absorbés, la pression électronique diminue soudainement, provoquant l'effondrement des régions internes de l'étoile. Le milieu présente une pression de dégénérescence ou pression de Fermi où apparaissent des effets quantiques. Le coeur se transforme en soupe de neutrons - c'est la future étoile à neutrons - tandis qu'en réaction, les régions externes explosent, donnant naissance à une supernova. La
destinée précise des étoiles super-AGB dépend des taux de capture des
électrons et de la quantité d'oxygène-20 formé. Elles peuvent soit former
des SNe II soit des ECSNe. Dans les deux cas il peut rester un coeur
résiduel qui pour les ECSNe est un étoile à neutrons de faible masse
(~1.25 M Selon Alexei V. Filippenko, professeur d'astronomie à l'Université de Californie à Berkeley et coauteur de cette étude, "C'est le cas le plus connu d'une catégorie intéressante de supernovae qui se situe entre la plage de masse de la naine blanche qui explose et le noyau de fer d'une étoile massive qui s'effondre puis rebondit et conduit à une explosion. Cette étude améliore considérablement notre compréhension des étapes finales de l'évolution stellaire." Ken'ichi Nomoto de l'Université de Tokyo, coauteur de cette étude et de la prédiction faite en 1980 s'est dit très heureux que l'on ait finalement découvert la supernova à effondrement par capture d'électrons et le lien avec la nébuleuse du Crabe : "C'est un merveilleux cas de combinaison des observations et de la théorie". La supernova à instabilité de paire (PISN) Le 14 novembre 2016, le satellite Gaia de l'ESA détecta une nouvelle supernova, SN 2016iet (alias Gaia16bvd ou PS17brq) dans la constellation de Coma Berenices. La supernova se situe à z = 0.0676 soit 965 millions d'années-lumière. S'ensuivit trois années d'observations et d'analyses au moyen des grands télescopes (Gemini North de 8.1 m à Hawaï, MMT de 6.5 m en Arizona et Magellan Clay de 6.5 m au Chili) au terme desquelles les astronomes ont eu la conviction qu'il s'agit d'une supernova d'un nouveau type, la PISN ou supernova à instabilité de paire. De quoi s'agit-il ?
Dans un article publié par Sebastian Gomez du CfA d'Harvard-Smithsonian et ses collègues dans "The Astrophysical Journal" en 2019 (en PDF sur arXiv), les chercheurs ont découvert que cette supernova de Type I présentait un noyau de CO massif ainsi que des caractéristiques optique et spectroscopique uniques en son genre au point qu'ils ont d'abord cru qu'il y avait une erreur dans leurs données. SN 2016iet présenta une courbe
lumineuse à deux pics presque égaux de magnitude d'environ -19 séparés d'environ 100
jours, puis une lente diminution d'environ 5 magnitudes en 650 jours – ce qui
est très long -, un spectre dominé par de fortes raies d'émission du calcium
et de l'oxygène avec une largeur de seulement 3400 km/s, superposées à un
continuum bleu intense la première année et un environnement pauvre en éléments
lourds. Les spectres nébulaires sont inhabituels, différents de ceux d'une
supernova dont le noyau s'est effondré et différents de ceux des supernovae de
Type Ic et des superlumineuses (SLSNe, voir plus bas). De plus, la galaxie naine
hôte de 108.5
M Une autre caractéristique surprenante est l'emplacement de la supernova. La plupart des étoiles massives naissent dans des amas stellaires denses, alors que SN 2016iet s'est formée à une distance inhabituellement élevé de 53790 années-lumière ou 4.3 rayons effectifs du centre de sa présumée galaxie naine hôte (qui n'a pas encore reçu de référence). Quelque
770 jours après l'évènement, une faible émission Hα fut détectée à
l’emplacement de la supernova correspondant à un taux de formation stellaire
de 3x10-4
M Enfin,
l'étoile éjecta dans son environnement plus de 3 M Pour
expliquer la durée et la lenteur de l’évolution de sa luminosité, quel que
soit le modèle utilisé (désintégration radioactive, moteur central tel
un magnétar milliseconde ou une accrétion de repli (fallback), interaction
éjecta-milieu stellaire (CSM)), les chercheurs ont estimé que la
masse des progéniteurs en fin de vie (c'est-à-dire la masse du noyau de CO) était
de 55 M A consulter : IAU Supernova Working Group
Quel
que soit le modèle utilisé, les données suggèrent que l'étoile commença sa
vie comme une étoile d'environ 200 M Les astronomes ont prédit que si de tels monstres conservaient leur masse tout au long de leur courte vie (quelques millions d'années), ils exploseraient en supernovae à instabilité de paire (PISNe). Le qualificatif de "paire" fait référence au processus de production de paires d'électron-positron à partir des photons gamma. Comme nous l'avons expliqué, la plupart des étoiles massives finissent leur vie en supernova, éjectant dans l'espace de la matière riche en métaux lourds, tandis que leur noyau s'effondre en une étoile à neutrons ou un trou noir. Mais pas les supernovae à instabilité de paire. Leur noyau devenu extrêmement chaud (entre 300 millions et 3 milliards de degrés) produit énormément de rayons gamma. Ces photons très énergétiques se transforment spontanément en électrons et en positrons, autrement dit en antimatière, d'où le nom de ce type de supernova. Cette conversion réduit brutalement la pression de rayonnement interne de l'étoile, permettant à la gravité de produire l'effondrement de l'astre, ce qui déclenche une explosion thermonucléaire d'ampleur astronomique qui annihile toute l'étoile, y compris son noyau.
Les éjecta de la supernova entrent ensuite en collision avec la matière circumstellaire et alimentent les émissions qu'on observe aujourd'hui. Selon Gomez, "SN 2016iet est si brillante et si isolée que nous pourrons étudier son évolution au cours des prochaines années." Pour Gomez, "Comment une étoile aussi massive peut-elle se former dans un isolement complet reste un mystère. Dans notre banlieue cosmique locale, nous ne connaissons que quelques étoiles qui s'approchent de la masse de l'étoile qui devint SN 2016iet, mais toutes évoluent dans des amas massifs avec des milliers d'autres étoiles." Les modèles de PISNe prédisent que ce type d'étoile se forme dans des environnements pauvres en métaux tels que les galaxies naines et l'univers primitif , ce que cette étude a prouvé. Selon Gomez, "il s'agit de la première supernova dans laquelle la masse et le contenu en métaux de l'étoile se situent dans la plage prédite par les modèles théoriques. [...] toutes ces caractéristiques situent clairement l'évènement dans le régime des PPISNe ou PISNe." Il est probable - et donc à confimer - que les supernovae SN 2006gy, SN 2007bi, SN 2213-1745 et SN 1000+0216 soient également des PISNe. Selon Edo Berger, coauteur de cet article, "le concept de supernova à instabilité de paire existe depuis des décennies (cf. Z.Barkat et al., 1967 et Gary S. Fraley, 1968). Mais avoir enfin un exemple concret qui place une étoile mourante dans le bon régime de masse, avec le bon comportement et dans une galaxie naine pauvre en métaux constitue un progrès incroyable. Il n'y a pas si longtemps, on ne savait pas si des étoiles aussi massives pouvaient réellement exister. La découverte de SN 2016iet a clairement prouvé leur existence. Cela nous aide à mieux comprendre le développement de l'univers primordial après les Âges Sombres - lorsque le processus de formation stellaire n'existait pas encore pour former la splendeur de l'univers que nous observons aujourd'hui." Mais selon Gomez, "malgré la cohérence globale de cette supernova et de son environnement inhabituel avec les PPISNe et PISNe, nous constatons que les propriétés inférées de SN 2016iet défient les modèles existants décrivant de tels évènements." S'il s'agit réellement d'une PISN, cette découverte va certainement imposer la création d'un nouveau type de supernova de Type I capable d'annihiler totalement son progéniteur sans laisser de résidus. La supernova à instabilité de paire pulsationnelle (PPISN) Dans un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2019, Shing-Chi Leung de l'Institut Kavli de Physique et de Mathématique de l'Université de Tokyo et ses collègues ont étudié l'évolution des étoiles massives et en particulier l'instabilité de paire pulsationnelle ou PPI, processus qu'on retrouve dans certaines supernovae. Rappelons
qu'au cours de leur courte vie (quelques millions d'années), des étoiles d'une masse initiale
de 80 à 130 M Comme illustré ci-dessous, si le noyau de l'étoile est très massif et très compressé, la fusion de l'oxygène déclenche une réaction explosive qui comprime davantage le noyau mais dont l'onde de choc de retour engendre simultanément une expansion rapide de l'enveloppe de l'étoile. Une partie de l'enveloppe externe de l'étoile est éjectée, tandis que la partie interne se refroidit et s'effondre à nouveau. La pulsation (affaissement et expansion) se répète jusqu'à épuisement de l'oxygène. Ce processus est appelé l'instabilité de paire pulsationnelle ou PPI. L'étoile forme ensuite un noyau de fer, réaction endothermique qui interrrompt brutalement la production d'énergie et conduit instantanément à l'effondrement du noyau en trou noir. Ce phénomène déclenche vraisemblablement l'explosion en supernova, d'où son nom de supernova PPI alias PPISN.
En
calculant les paramètres stellaires durant ces pulsations et la masse des éjecta
associés jusqu'à ce que l'étoile s'effondre pour former un trou noir, les chercheurs
ont constaté que la masse maximale du trou noir formé à partir d'une supernova
PPI est de 52 M Les
étoiles dont la masse est supérieure à 130 M Les
calculs réalisés par les chercheurs prédisent qu'il existe un écart de
masse entre les trous noirs de 52 M Les résultats obtenus par les chercheurs prédisent également qu'un milieu circumstellaire massif se forme suite à la perte de masse pulsationnelle, de sorte que la supernova associée à la formation de ce trou noir induira une collision entre les ejecta et la matière circumstellaire, créant une supernova superlumineuse (SLS). On y reviendra à propos des trous noirs (cf. SN 2015L alias ASASSN-15lh), y compris des TDE qui accompagnent les trous noirs supermassifs. La supernova née par la coalescence d'un système binaire Dans un article publié dans la revue "Science" en 2021, l'astrophysicien Dillon Dong du Caltech et ses collègues ont annoncé la découverte d'un nouveau type de supernova : la supernova provoquée par la coalescence ou fusion d'un système binaire, l'un des deux astres étant une étoile à neutrons ou un trou noir. C'est au cours du sondage VLASS (Very Large Array Sky Survey), un projet qui a pour but de détecter des sursauts radio dans le ciel profond, que les chercheurs ont détecté en 2017 une brève éruption radio extrêmement intense provenant de l'objet VT J121001+4959647. Il s'agissait d'une émission d'origine synchrotron, c'est-à-dire émise par des électrons soumis à un champ magnétique.
Ce sursaut radio n'était pas présent lors des sondages réalisés entre 2003 et 2015. Un suivi effecté à la fois en radio par le réseau VLA Karl Jansky et dans les spectres visible et infrarouge par le télescope Keck révéla que la source correspondait à un rémanent de supernova (SNR) situé dans une galaxie naine d'à peine 10 milliards de masses solaires située à 475 millions d'années-lumière. Ce SNR est composé d'une enveloppe de gaz épaisse et dense en expansion qui fut éjectée à la vitesse de 10000 km/s. Cette enveloppe de matière fut probablement éjectée par l'étoile progénitrice 300 ans avant l'émission radio. Selon Dong, "l'étoile progénitrice avait subi un épisode éruptif de perte de masse, éjectant plus que l'équivalent de la masse du Soleil" dans l'espace. Les chercheurs ont ensuite examiné des données plus anciennes. Ils ont découvert que le 14 août 2014, des jets de rayons X de type GRB furent émis à peu près du même endroit que VT J121001+4959647. Le sursaut X catalogué GRB140814A fut détecté par l'instrument MAXI (Monitor of All Sky X-ray Image), un détecteur de rayons X et gamma installé sur la station ISS. Le sursaut X fut détecté pendant 15 secondes entre 2 et 10 keV - donc comprenant des rayons X durs jusqu'à 0.124 nm de longueur d'onde. Ces rayons X directifs et très puissants furent émis par de la matière éjectée à grande vitesse au cours d'un phénomène cataclysmique. Mais la quantité de matière présente dans la coquille soufflée par une étoile massive durant la phase AGB notamment est trop faible pour expliquer les émissions radio et X de VT J121001+4959647. Un autre évènement a dû provoquer cette éjection de matière avant que l'étoile ne devienne une supernova. Les chercheurs ont finalement établi un lien entre le sursaut X de 2014 et l'émission radio de 2017. Ils proposent un scénario en deux étapes. Voyons ce mécanisme en détails. Dans une première étape, à l'origine il existait un système binaire composé de deux étoiles massives dont la principale explosa en supernova mais qui ne fut pas détectée (sans doute trop ancienne), laissant derrière elle son coeur à nu qui devint une étoile à neutrons. Dans une seconde étape, comme illustré ci-dessous à droite, au fil du temps les deux étoiles se sont progressivement rapprochées l'une de l'autre dans un mouvement en spirale. L'étoile à neutrons plus compacte finit par accréter du gaz de sa compagne massive mais moins dense.
Alors que l'astre compact s'enfonçait en spiralant dans le noyau de l'étoile massive, il éjecta les débris de sa compagne sous forme de jets de matière et de rayonnements dans toutes les directions, formant un tore de matériau en orbite autour des deux astres. Selon Dong, "Au fur et à mesure que l'étoile à neutrons ou le trou noir se met à spiraler, on s'attend à ce qu'une grande partie de l'atmosphère de l'étoile [la compagne] soit arrachée et éjectée à de grandes distances. Si la perte de matière atteint le noyau [de l'étoile compagne], la théorie prédit qu'il peut perturber la fusion, déclencher une supernova et lancer les jets que nous avons observés." Si l'astre compact n'était pas un trou noir avant d'être absorbé par sa compagne, l'étoile à neutrons finit tout de même par former un trou noir au moment où elle atteignit le noyau de l'étoile massive. Avec autant de matière chaude tourbillonnante autour du trou noir, les lignes de champ magnétique associées furent tordues et enchevêtrées, formant une sorte d'entonnoir partant du pôle et orienté vers l'extérieur de l'astre. Cela provoqua l'éjection de matière du disque interne d'accrétion sous la forme d'un faisceau étroit. Selon Dong, "ce jet se fraie un chemin à travers l'étoile qui s'effondre et est projeté pratiquement à la vitesse de la lumière." C'est cette rafale de rayons X que les chercheurs enregistrèrent en 2014. Finalement, le coeur de l'étoile massive s'effondra avant d'exploser en supernova de Type II en 2014. Mais l'onde de choc engendrée par cette explosion s'est heurtée à un obstacle, à savoir l'enveloppe du SNR qui avait été projetée auparavant dans l'espace. La collision des débris sur cette enveloppe créa une violente onde de choc et la décélération de la matière provoqua une libération d'énergie sous forme des intenses sursauts radio détectés en 2017. Cela fait des décennies que les astrophysiciens étudient la coalescence des systèmes binaires et leur explosion en supernova, SN 1987A étant un exemple emblématique. Mais plus de 30 ans plus tard, il faut admettre qu'on comprend encore très mal le comportement de ces systèmes. A ce titre, l'étude de VT J121001+4959647 sera poursuivie car il est encore extrêmement difficile de modéliser et de simuler l'évolution des systèmes binaires car on ne maîtrise pas encore tous les mécanismes physiques qui se produisent lorsque deux étoiles fusionnent. Selon Dong, "l'une des découvertes les plus passionnantes en astronomie de la dernière décennie est que la plupart des étoiles massives naissent dans des systèmes binaires, des systèmes triples, des systèmes quadruples, etc. Là où auparavant les astronomes modélisaient ces étoiles de manière isolée, nous réalisons maintenant qu'il existe un riche ensemble de phénomènes à explorer résultant des interactions de ces étoiles. Une supernova déclenchée par la coalescence, je pense, ne fait qu'effleurer la surface de ce qui est possible. Avec les sondages du ciel de nouvelle génération et les nouveaux développements en astrophysique théorique, nous pourrions découvrir que les étoiles se comportent de toutes sortes de manières inattendues." Simuler pour comprendre Toutes ces théories parfois validées par l'observation peuvent donner l'impression que les astrophysiciens maîtrisent parfaitement le phénomène de supernova. Mais en réalité, comme nous venons de l'expliquer personne ne peut décrire quantitativement ce qui se passe réellement au cours de ce phénomène extrêmement complexe qui réside encore partiellement au-delà de notre compréhension. En effet, nos connaissances des supernovae dépendent encore de paramètres et de phénomènes physiques qu'on ne maîtrise pas, et on peut le dire, totalement incontrôlés comme les équations d'état de la matière dont les conditions extrêmes en termes de pression, densité, température, vitesse et entropie sont inaccessibles aux expériences de laboratoire, les définitions des conditions initiales d'une étoile effondrée, la distribution des différents éléments ou nucléi dans l'enveloppe de l'étoile et bien d'autres paramètres libres. En raison de ces lacunes, certains auteurs comme Sherwood A. Richers de Caltech parmi d'autres chercheurs tentent d'étudier les supernovae sur base de la théorie MHD en tenant évidemment compte des effets relativistes (GRMHD), d'autres comme Ye Zhou du LLNL les aborde par la théorie du chaos où les instabilités et les turbulences hydrodynamiques jouent un rôle majeur comme le montrèrent également les simulations du département d'Astrophysique de l'Irfa (CEA), ou même par la théorie des catastrophes comme le proposa René Thom dans son livre "Stabilité structurelle et morphogénèse" (1972), entendant par "catastrophe" tout changement de forme dans un sous-système fermé. Cette dernière approche fut reprise par plusieurs astrophysiciens comme mécanisme de base pour expliquer l'effondrement des étoiles massives suite à la rupture de l'équilibre entre la pression de radiation et l'autogravité, sachant qu'après la rupture ou bifurcation, le comportement devient littéralement chaotique et très difficile à modéliser. A
voir : Implosion du
coeur d'une SN II - Now Playing: Core Collapse - in 3D!
Comme tout sujet mal compris et faisant l'objet d'études, on ne sera donc pas étonné de la publication de très nombreux articles scientifiques y compris de thèses sur les supernovae dont celle de Yves Pomeau de l'Université Pierre et Marie Curie et ses collègues en 2014 dans laquelle ils tentent de décrire leur mode d'implosion et d'explosion, d'autres chercheurs s'attachant à un détail particulier comme nous l'avons décrit ci-dessus. Bref, comme on dit dans ces cas-là, le ciel est si vaste et les mystères si nombreux qu'il y a du travail pour tout le monde. Les hypernovae et les SLSNe 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 qui développent une instabilité magnétorotationnelle (un champ magnétique toroïdal variable capable d'émettre des jets de plasma) suffisamment violente 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. Selon certaines théories, une hypernova serait une combinaison entre une SN Ib/c pec et une SN IIn, ce qui laisse la porte ouverte à beaucoup d'interprétations. Enfin,
les supernovae superlumineuses (SLSNe)
sont des étoiles massives instables ayant explosé dont la masse du
progéniteur dépasserait 100 M ASASSN-15lh Au cours du sondage automatique des supernovae ASAS-SN (prononcé "assassin") démarré en 2014 qui permit de découvrir quelque 250 supernovae en trois ans, une explosion stellaire d'une magnitude record fut enregistrée le 14 juin 2015 par Krzysztof Stanek de l'Université d'Ohio; il s'agit de l'évènement ASASSN-15lh alias SN 2015L dont l'explosion était tellement inhabituelle que Stanek rapporta la découverte dans la revue "Science". SN 2015L explosa le 5 juin 2015 avec une puissance de 2 x 1038 W, soit dix fois plus énergétique que le précédent record. A titre de comparaison, la surface du Soleil irradie 3.8x1026 W. La supernova fut découverte grâce aux télescopes jumeaux ASAS-SN de 14 cm de diamètre installés à l'observatoire du CTIO au Chili dédiés à la recherche de ce type d'évènements. Située à 3.8 milliards d'années-lumière dans la galaxie APMUKS(BJ) B215839.70−615403.9, selon l'étude de Huang Yan de l'Université de Péking et ses collègues publiée en 2018, ASASSN-15lh atteignit la magnitude visuelle +16.9 pour une magnitude absolue de -23.5. Cette supernova superlumineuse fut bien sûr invisible à l'oeil nu mais elle illumina le ciel avec la puissance de 200 supernovae ! En quelque 550 jours, elle émit une énergie d'environ 1.8x1052 erg (1.8x1045 J) soit à un facteur deux près l'énergie que dégage l'annihilation de matière dans les GRB ou les AGN (par comparaison le pulsar du Crabe émet 1047 erg/an). Son éclat correspond à une luminosité équivalente à 570 milliards de fois celle du Soleil et 20 fois celle de la Voie Lactée ! Il va sans dire qu'il s'agit de l'explosion de supernova la plus lumineuse détectée à ce jour. A
voir : Superluminous ASASSN-15lh La spirale fatale de ASASSN-15lh, Science
Selon
les modèles et les résultats spectraux, au maximum de son éclat ASASSN-15lh
présenta une température d'au moins 20000 K et un rayon supérieur à 70000 R En fouillant dans les archives (cf. The Open TDE Catalog), comme on le voit ci-dessus à gauche, l'étoile fut déjà enregistrée de manière anonyme en 2014 au CTIO au cours du sondage DES (Dark Energy Survey) réalisé au moyen du télescope Blanco de 4 m de diamètre. A l'époque, c'était encore une étoile ordinaire. Elle fut également étudiée en UV grâce au télescope spatial Swift par l'équipe de Peter Brown de l'Université A. & M. du Texas et ses collègues mais n'a pas retenu particulièrement leur attention. En revanche, elle fut suivie en 2015 par le télescope de 1 m de diamètre du LCOGT (Las Cumbres Observatory Global Telescope) ou LCO qui observa son changement de luminosité tandis que les premiers spectres furent obtenus en 2016 grâce au télescope du Point de 2.5 m également installé à las Campanas. C'est alors qu'on l'identifa à une supernova de Type Ic.
Selon Yan
Huang, aujourd'hui ASASSN-15lh émet toujours des rayons X persistants peu pénétrants
d'une luminosité de l'ordre de 1042
erg/s ainsi que des photons UV mais reste invisible dans le spectre radio. Cette
observation suggère que son rayonnement est absorbé par un milieu dense. Il
pourrait s'agir des éjecta du SNR. Ils auraient été éjectés dans le
milieu interstellaire à une vitesse maximale de ~900 km/s. Le vent stellaire induit par cette explosion représenterait
une perte de masse d'au moins 0.003 M Comme le montre les courbes lumineuses présentées à gauche, ASASSN-15lh finit par s'assombrir. Mais environ trois mois après le début de son affaiblissement, l'astre retrouva une certaine vigueur. Pendant 40 jours, son rayonnement ultraviolet augmenta et même quintupla avant de se stabiliser pendant encore quelques mois avant de retomber. Selon les modèles, durant sa réactivation la température effective de sa photosphère repassa de 11000 à 18000 K. Le rayonnement aux longueurs d'ondes visibles n'a pas suivi cette recrudescence et continua à s'affaiblir régulièrement. Certains auteurs se basant sur la valeur élevée du spin de l'éventuel reste stellaire (valant 1000 fois par seconde) estimèrent qu'il s'agissait peut-être d'un magnétar milliseconde. Plus étonnant, le reste stellaire semble convertir son énergie de rotation avec un rendement proche de 100%, c'est-à-dire une valeur extrême que les astronomes ne pensaient pas découvrir dans ce type d'étoile. Selon Stanek, si nous plaçons tout ce que nous connaissons des magnétars sur une échelle de 1 à 10, cet astre obtient la cote de 11 ! En fait, le comportement de cet objet est tellement inhabituel et unique que les astronomes ignorent s'il s'agit bien d'un magnétar ou d'un autre type d'astre. Finalement, l'hypothèse du magnétar n'a jamais été confirmée mais en théorie on ne pas l'exclure tant que le résidu stellaire ou le trou noir n'est pas identifié formellement. En réalité, si ASASSN-15lh fut classée parmi les SLSNe, c'est vraisemblablement ce qu'on appelle une "supernova maréale", c'est-à-dire une étoile qui a probablement subit une perturbation par effet de marée ou TDE suite à son interaction avec un trou noir massif comme l'illustre les vidéos présentées plus haut. A mesure que l'étoile s'approcha du trou noir massif, elle devint tellement instable qu'elle finit par déclencher une immnense explosion thermonucléaire à l'origine de son éclat soudain puis disparut, absorbée sous l'horizon des évènements (cf. les articles publiés en 2016 dans les revues "Science" et "Nature Astronomy"). A consulter : L'observatoire de Tim Puckett, chasseur de supernovae
Cette découverte comme celles de nombreuses autres supernovae extraglactiques confirme que l'utilisation de petits télescopes est suffisante pour surveiller du ciel à la recherche des supernovae (mais également des astéroïdes ou des comètes voire des TDE les plus lumineux). C'est une activité à la portée des astronomes amateurs avertis pour peu qu'ils bénéficient d'un ciel clément et de moyens adaptés dont une caméra CCD. On reviendra en détail sur ce programme dans l'article consacrée à la recherche des supernovae rédigé en anglais. A propos des hypersupernovae Puisque
nous utilisons des superlatifs, rappelons que 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 A
voir : ExUL Workshop
trailer, 2012 Les astronomes ont bien détecté des explosions de supernovae et d'hypernovae très violentes mais sans pouvoir identifier le progéniteur avec certitude et le mode d'explosion, aucun de ces phénomènes n'a été classé parmi les hypersupernovae, néologisme qui est pour l'instant réservé aux explosions des étoiles de Population III. Ceci dit, cette classification peut évoluer en fonction des découvertes. Pour l'heure, le sujet des hypersupernovae est spéculatif et très peu documenté faute de théorie. Il existe bien des études sur le rayonnement des chocs émis par les supernovae et les hypernovae mais ils remontent aux travaux des physiciens Yakov Zel'dovitch et Yu Raizer en 1957 qui publièrent également un livre de plus de 900 pages sur le sujet en 1966 (cf. aussi ADS) qui fut réédité en 2002. Le seul document récent est une présentation (PDF) donnée par S.Blinnikov et ses collègues au cours de l'atelier ExUL qui s'est tenu en juin 2012 à Moscou consacré aux supernovae et GRB. Mais le néologisme "hyper-supernova" n'y figure que dans le titre, ce qui traduit bien l'embarras des astronomes et des physiciens. Voilà un bon sujet de thèse pour les futurs docteurs en astrophysique ou en physique ! Les GRB ou sursauts de rayons gamma Le premier GRB (Gamma-Ray Bursts) fut détecté en 1967 grâce au satellite Véla précité. Les scientifiques ont d'abord cru qu'il s'agissait d'une explosion nucléaire terrestre mais sa signature était différente de celle d'une bombe atomique; il n'y a avait pas eu un intense flash initial et le rayonnement ne s'était pas graduellement dissipé. Il n'y avait pas eu non plus d'importante éruption solaire ni de nouvelle supernova ce jour là. Il fallut la détection de 15 autres phénomènes similaires et six ans de recherche pour qu'on découvre que ces évènements avaient une origine astrophysique et provenaient d'astres inconnus situés dans l'espace profond (cf. R.W. Klebesadel et al., 1973). Entre 1973 et 2001, plus de 5300 articles furent publiés sur les GRB. En moyenne, les astronomes détectent 1 GRB par jour mais ce sont uniquement ceux dont le jet est dirigé vers la Terre. Une émission gamma fut détectée 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-dessous à gauche et dont l'origine est toujours inconnue. Dans les cas extrêmes, les GRB peuvent libérer en quelques secondes une quantité d'énergie atteignant 1054 erg (1046 joules ou 1053 TeV) soit mille milliard de milliards de fois l'énergie émise par le Soleil (qui émet 3.8 x 1033 erg par seconde, 1 erg équivalant à 10-7 joule) ou 10 milliards de fois plus d'énergie que toutes les étoiles de la Voie Lactée ! L'émission est concentrée dans un jet bipolaire collimaté qui peut se déplacer à 99.97% de la vitesse de la lumière (cf. MPA) voire serait peut-être même supraluminique dans le milieu même du jet (cf. J.Hakkila et R.Nemiroff, 2019). Il existe deux catégories de GRB, les courts (SGRB) et les longs (LGRB). Prenons quelques exemples.
GRB 130603B L'explosion survenue en 2003 dans GRB 130603B que l'on voit ci-dessus à droite fut accompagnée d'une très puissante émission de rayons gamma mais également de rayons X et, ce qui est plus rare, de rayonnements radioélectriques. Elle fut d'abord considérée comme le résultat de la fusion de deux étoiles à neutrons (cf. cette analyse contradictoire) avant que les spectres ne confirment qu'il s'agissait de l'éruption cataclysmique d'une étoile naine blanche située à 4 milliards d'années-lumière (z = 0.356). Le sursaut gamma détecté par le satellite Swift et photographié en optique (lumière blanche) par le Télescope Spatial Hubble dura à peine 0.2 seconde. Selon les chercheurs, l'explosion correspondit à la libération d'une énergie isotrope équivalente à 1051 erg (1043 joules ou 1050 TeV) et l'objet atteignit la magnitude visuelle de 20.81. Ensuite son flux et sa luminosité chutèrent sur une période de plusieurs jours pour finalement disparaître dans le néant. Dans une étude publiée dans la revue "Nature" en 2013, Nial Tanvir et son équipe ont démontré que cette éruption de courte durée produisit des éléments lourds compatibles avec le processus r typique d'une kilonova (une explosion 10 à 100 fois moins lumineuse qu'une supernova). On y reviendra. GRB 080913 Un bref sursaut d'activité fut détecté dans GRB 080913 le 19 septembre 2008 (cf. la circulaire GCN 8217) en optique par les télescopes de l'ESO ainsi que par le détecteur GROUND (Gamma-Ray Burst Optical/Near-Infrared Detector) du satellite Swift qui enregistra le sursaut en rayons X juqu'à 10 keV. Il y eut également un sursaut gamma qui dura moins de 10 secondes. Tous les instruments n'ont pas détecté cette explosion, notamment le sursaut gamma qui dura très peu de temps ainsi que le rayonnement X à certaines fréquences. Même dans la bande optique, toutes les photos n'ont pas révélé l'explosion (comme si l'astre n'existait pas). Dans certaines raies monochromatiques, la luminosité de l'astre montra une chute caractéristique provoquée par des nuages de gaz interposés dans la ligne de visée. Sachant que plus l'astre est éloigné plus la longueur d'onde où cet atténuation s'affaiblit est longue, on pouvait déjà estimer que l'astre se situait à très grande distance.
De plus, étant donné que l'explosion fut uniquement observée aux plus longues longueurs d'ondes (à de plus courtes fréquences), cela confirme que l'astre est très distant. L'analyse spectrale réalisée grâce au VLT pendant la décroissance lumineuse indiqua un redshift z = 6.7. L'astre se situe à ~12.8 milliards d'années-lumière. Cette explosion est donc survenue 825 millions d'années seulement après le Big Bang. Si on ignore exactement quel astre et quel processus sont à l'origine de cette explosion, compte tenu du spectre et des niveaux d'énergie dégagés, une interaction avec un trou noir est la plus plausible. Ce record de distance n'a pas tenu longtemps. GRB 080319B Le 19 mars 2008, le satellite Swift détecta un puissant sursaut gamma qui dura environ 10 secondes provenant de GRB 080319B situé dans la constellation du Bouvier à z = 0.95 soit 7.5 milliards d'années-lumière. Fait remarquable, bien que rapide l'explosion aurait pu être observée à l'oeil nu car la contrepartie optique fut photographiée par le groupe d'amateurs polonais "Pi of the sky" spécialisé dans la surveillance des sursauts optiques. En effet, la source GRB apparut durant ~30 secondes comme une faible étoile de magnitude 5.3 et resta sous la magnitude 9.0 durant ~60 secondes avant de disparaitre (cf. cette photo). A voir : Naked-Eye Gamma-ray Burst Model for GRB 080319B, NASA/GSFC Simulation du sursaut de GRB 080319B visible à l'oeil nu le 19 mars 2008
Cette source GRB fut temporairement 2.5 millions de fois plus brillante que la plus brillante supernova, ASASSN-15lh précitée (Mabs = -23.5). Si on rapporte GRB 080319B à 1 UA, lors de son sursaut elle atteignit la magnitude absolue de -67.57, un record absolu ! Le 9 octobre 2022, les télescopes orbitaux à rayons X, UV et optique Swift (cf. l'alerte Swift J1913.1+1946) et gamma Fermi (cf. l'alerte GRB 221009A) ainsi que le satellite Wind sensible au plasma (vent solaire et champ magnétique) détectèrent un signal dans la direction de la constellation de la Flèche (Sagitta). L'alerte fut immédiatement transmise aux astronomes. Aux premières heures du 14 octobre 2022, deux équipes indépendantes d'astronomes utilisant le télescope Gemini Sud du Chili exploité par le NOIRLab de la NSF, l'une dirigée par Brendan O'Connor de l'Université du Maryland/Université George Washington utilisant le spectrographe d'imagerie proche infrarouge FLAMINGOS-2, l'autre dirigée par Jillian Rastinejad de Université Northwestern utilisant le spectrographe multi-objet Gemini GMOS observèrent à l'endroit indiqué l'une des explosions les plus puissantes jamais enregistrées, l'évènement GRB 221009A. Il s'agit d'une explosion gamma qui s'est produite à 2.4 milliards d'années-lumière de la Terre (à 0.15 < z < 0.20). Selon O'Connor, "GRB 221009A fut exceptionnellement long et lumineux. C'est le GRB le plus brillant jamais enregistré et sa rémanence bat tous les records à toutes les longueurs d'ondes." En effet, GRB 221009A libéra une énergie estimée à 3x1054 erg (>1046 joules ou >1053 TeV) soit 1000 fois supérieure à celle d'une supernova ordinaire ! Selon un article publié dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2023 par l'équipe de Sarira Sahu de l'Université Nationale d'Astronomie du Mexique, l'observatoire chinois LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory Projet) de rayons gamma et de rayons cosmiques détecta des photons d'une énergie d'au moins 18 TeV (par comparaison, le LHC du CERN peut générer des photons de 13 TeV). Selon les chercheurs, un autre sursaut gamma aussi brillant pourrait ne pas se produire avant des décennies, voire des siècles. A ce jour, c'est l'émission la plus lumineuse produite par un astre.
Sur
base de l'énergie libérée par l'explosion, GRB 221009A résulte probablement
de l'effondrement d'une étoile massive atteignant 30 M Rastinejad et ses collègues ont surnommé ce sursaut "BOAT" (Brightest Of All Time), " car lorsque vous regardez les milliers de sursauts que les télescopes à rayons gamma détectent depuis les années 1990, celui-ci se démarque. La sensibilité de Gemini et sa suite d'instruments variés nous aideront à observer les contreparties optiques de GRB 221009A bien plus tard que la plupart des télescopes au sol. Cela nous aidera à comprendre ce qui a rendu ce sursaut gamma si unique et si énergique." Des perturbations dans l'ionosphère terrestre GRB 221009A étant relativement proche de la Terre à l'échelle de l'univers, dans un article publié dans les "RNAAS" (Research Notes of the American Astronomical Society) en 2022, les astrophysiciens solaires Laura A. Hayes de l'ESA et Peter T. Gallagher de l'Institut d'Etudes Avancées de Dublin ont découvert que son rayonnement avait provoqué une perturbation ionosphérique brusque (ou SID) de la couche D de l'ionosphère terrestre au-dessus de l'Europe du Nord qui affecta les très basses fréquences entre 3 et 30 kHz (VLF). Ce type de perturbation est connu et survient généralement après certaines éruptions solaires et avec les aurores. On en avait également détectée après l'éruption d'un GRB en 1988 (cf. G.J. Fishman et U.S. Inan, 1988) et celles de magnétars en 1999 (U.S. Inan et al., 1999) et 2018 (S.Palit et al., 2018). Selon les auteurs, sur base d'études statistiques des effets des éruptions solaires, cette perturbation équivaut à une éruption solaire de rayons X de classe modérée, C3 à M1.0. Normalement, une perturbation de la couche D de l'ionosphère se produit vers 90 km d'altitude et n'affecte que les bandes HF entre 160 et 40 m de longueur d'onde durant la journée sans perturber les communications à longue distance. Cette fois, l'éruption de ce GRB ionisa l'atmosphère jusqu'à 20 km d'altitude. L'ionisation fut si importante qu'on l'a détecta sur la face éclairée de la Terre où normalement un changement de densité électronique de la couche D aux fréquences VLF est difficile à mesurer durant la journée.
Hayes et Gallagher ont également mesuré un décalage temporel en VLF entre les émissions X et gamma. Dans le cas du Soleil, on sait qu'il existe un décalage de 2-3 minutes entre les émissions X et radios. Dans le cas de GRB 221009A, le délai entre les émissions X et gamma atteignit près de 55 secondes et il fallut une demi-heure pour revenir à une amplitude normale (la recombinaison des atomes ionisés). Selon les auteurs, à ce jour il s'agit de l'effet le plus fort produit par un GRB dans l'environnement terrestre. Sur base de ces nouvelles données, les chercheurs vont améliorer les modèles de l'ionosphère afin de mieux comprendre comme les rayonnements d'un GRB peuvent pénétrer si bas dans l'atmosphère et quels peuvent être leurs éventuels impacts, en particulier sur l'ionosphère des exoplanètes. GRB 221009A fut si brillant qu'il fallut plusieurs semaines avant qu'il disparaisse dans les grands télescopes, ce qui signifie que les astronomes eurent le temps de l'étudier (cf. D.A. Kann et al., 2023). Son pic lumineux ayant atteint la 16e magnitude, des astronomes amateurs de l'AAVSO se sont même lancés dans son observation (GRB 221009A chuta sous la magnitude +18 un jour plus tard et sous la magnitude +22 en 20 jours). Du fait de sa relative proximité de la Terre, cet évènement fut également une occasion unique de mieux comprendre l'origine des éléments plus lourds que le fer, en particulier s'ils se forment uniquement lors de fusions d'étoiles à neutrons ou également lors des explosions de supernovae ou de GRB. En effet, selon les modèles, les GRB les plus énergétiques pourraient former certains éléments lourds comme l'or. GRB 090423 A ce jour, le record de distance est détenu par GRB 090423 situé dans la constellation du Lion (A.D.: 9h 55m 35s, Décl.: +18°9' 37s, J2000). Le 23 avril 2009, les satellites Fermi et Swift détectèrent une rafale de rayonnement gamma durant 10 secondes ainsi que des rayons X provenant de cet astre. Etant donné qu'aucune lumière (visible) n'accompagna l'explosion, cela suggère que l'astre se situe à grande distance. L'analyse spectrale révéla que la source d'émission se situe à z = 8.2 soit 13.09 milliards d'années-lumière. Elle s'est produite à peu près 630 millions d'années après le Big Bang, en pleine ère de réionisation. Voici les communiqués de presse de la NASA et du CfA. L’explosion détectée proviendrait d’un jet de particules et de rayons gamma. On suppose qu'il fut émis suite à l'effondrement d'une étoile massive qui s'est transformée en trou noir. Toutefois, on ne peut pas en avoir la certitude sans une preuve directe.
Selon Nial R. Tanvir et ses collègues qui observèrent ce sursaut d'éclat, si nos instruments actuels sont capables de détecter des émissions aussi puissantes à z = 8.2, ils peuvent aussi détecter des émissions plus faibles à z > 20, c'est-à-dire à plus de 13.5 milliards d'années-lumière, 180 millions d'années seulement après le Big Bang. GW170817, une source GRB Comme on le voit ci-dessous, il s'avéra qu'une autre surprenante source GRB apparut suite à la fusion de deux étoiles à neutrons qui généra des ondes gravitationnelles détectées par la collaboration LIGO en 2017, l'évènement GW170817.
En 2018, après deux ans d'analyses et de simulations, l'astrophysicien théoricien Davide Lazzati de l'Université d'Orégon et ses collègues confirmèrent dans les "Physical Review Letters" ce qu'ils avaient prédit deux ans plus tôt dans les "MNRAS", à savoir que le jet pulsé relativiste de rayons gamma observé dans les éjecta au cours de cet évènement correspond exactement au modèle canonique d'au moins une éruption GRB générée par la fusion de deux étoiles à neutrons. Les jets structurés produisirent par ailleurs un écho lumineux de rémanence qui s'intensifia au cours du temps avant de disparaître comme ce fut le cas de l'émission X. L'équipe de Lazzati avait prédit que d'autres rayonnements différents de la rémanence générée par l'éruption GRB seraient émis après l'éruption gamma : des ondes radios et des rayons X, ce qui fut effectivement observé avec la luminosité qu'elle avait prédite. Cette découverte est importante car les GRB sont classés en deux catégories : les GRB courts dont les éruptions gamma brèves (durant quelques secondes à quelques minutes) sont associées à la mort d'une étoile massive dont le noyau se transforme en trou noir et les GRB longs (voir plus bas). C'est la première fois qu'on associa une source d'émissions brève GRB de l'ordre de 2 secondes à un évènement astrophysique lié à la fusion de deux étoiles à neutrons qui conduisit également à la formation d'un trou noir. Conclusion, nous avons à présent la certitude validée par l'observation que certaines sources GRB sont associées à l'activité cataclysmique de naines blanches et d'étoiles à neutrons binaires. En particulier, les GRB peuvent apparaître suite à la fusion de deux étoiles à neutrons. Plus intéressant, on peut les étudier indirectement grâce à LIGO mais également dans tout le spectre de rayonnements. Dans un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2022 (lire aussi le communiqué), une équipe internationale d'astronomes dirigée par Tanmoy Laskar de l'Université de Radboud aux Pays-Bas a découvert un bref sursaut gamma catalogué GRB 211106A qui pourrait fournir un contexte important pour comprendre ce genre d'explosion. Comme GRB 130603B décrit plus haut, l'évènement GRB 211106A correspond à la fusion (merge) de deux étoiles à neutrons qui engendra une explosion spectaculaire appelée une kilonova. La fusion libéra également des ondes gravitationnelles et une brève explosion de rayonnement gamma sous forme d'un jet bipolaire comme illustré à gauche.
Le sursaut gamma GRB 211106A est survenu le 6 novembre 2021 et fut détecté par le satellite X et gamma INTEGRAL de l'ESA. Une alerte fut immédiatement transmises aux autres observatoires dont ALMA de l'ESO et c'est le satellite Swift de la NASA parmi d'autres, qui effectua le suivi. Le sursaut GRB dura moins de deux secondes, mais la rémanence de la kilonova fut détectable pendant près de 60 jours car le jet de particules libéré par la fusion excita le gaz environnant. Selon l'astronome Wen-Fai Fong de l'Université Northwestern d'Illinois et coauteur de cet article, "Ce sursaut gamma court était le premier GRB que nous essayions d'observer avec ALMA. Les rémanences pour les rafales brèves sont très difficiles à trouver. C'était donc spectaculaire d'avoir capturé cet éclat si brillant." Sa collègue Geneviève Schroeder précisa que "les longueurs d'ondes millimétriques peuvent nous renseigner sur la densité de l'environnement autour du GRB. Lorsqu'elle sont combinées avec les rayons X, elles peuvent nous renseigner sur la véritable énergie de l'explosion." Alors que les jets d'un GRB se déplacent à plus de 99.9% de la vitesse de la lumière dans le vide, en traversant le gaz environnant, les ondes de choc accélèrent les électrons. L'énergie rayonnée par ces électrons culmine aux longueurs d'ondes millimétriques et peuvent donc indiquer aux astronomes l'énergie totale de l'explosion. Les mesures d'ALMA suggèrent que GRB 211106A libéra une énergie totale comprise entre 2x1050 erg et 6x1051 erg, ce qui le place parmi les GRB courts les plus puissants détectés à ce jour. Ce niveau d'énergie est impressionnant quand on sait que l'évènement GRB 211106A se produisit il y a entre 6.3 et 9.1 milliards d'années, et que la galaxie hôte se situe de nos jours à environ 20 milliards d'années-lumière du système solaire en raison de l'expansion de l'Univers. A cette distance, les ondes gravitationnelles libérées par la fusion étaient trop faibles pour être détectées. L'avantage d'ALMA sur les observatoires rayons X et gamma est que la rémanence aux longueurs d'ondes millimétriques dure plus longtemps. Cela donne aux astronomes plus de temps pour étudier le jet du GRB qui commence comme un flux étroit, puis s'élargit progressivement, comme un pointeur laser. L'équipe de Fong et Schroeder a calculé que l'angle d'ouverture du jet était de 16°, ce qui est le plus large jamais mesuré pour un GRB court. Ceci est important car on ne peut détecter ou voir un GRB que lorsque son jet est dirigé vers la Terre. Donc plus le jet est large, plus nous avons de chances de le détecter.
Les astronomes ont calculé le taux de fusion des étoiles à neutrons en fonction du nombre de GRB courts détectés à ce jour et des estimations des angles d'ouverture de leur jet. Les résultats indiquent que si des GRB plus courts ont des jets plus larges, les astronomes ont peut-être surestimé le nombre de fusions d'étoiles à neutrons. Ceci à des répercussions en cosmochimie. Les conditions lors des fusions d'étoiles à neutrons sont si extrêmes que certains des éléments les plus lourds et les plus précieux de l'Univers, tels que l'or, le platine et l'argent, sont forgés durant ces collisions au cours du processus r sur lequel nous reviendrons. On estime qu'une seule fusion d'étoiles à neutrons peut produire entre 3 et 13 masses terrestres d'or. Par conséquent, l'abondance cosmique de ces éléments dépend fortement de la vitesse à laquelle les fusions d'étoiles à neutrons se produisent. Origine des GRB longs La
deuxième catégorie regroupe les GRB longs dont les émissions longues sont associées
à des étoiles massives d'environ 10 M En 2019, Ashley Chrimes de l'Université de Warwick et ses collègues ont annoncé dans les "MNRAS" la découverte probable de l'origine d'un GRB long : les jets gamma seraient liés à la vitesse de rotation élevée acquise par l'étoile mourante piégée dans le champ gravitationnel de son compagnon. Les forces de marée réciproques empêchent leur ralentissement et peuvent même accélérer leur spin. Cette énergie rotationnelle peut se coupler avec la rotation propre des deux étoiles et finir par les éloigner l'une de l'autre. Grâce à des modélisations, les chercheurs ont également pu prédire les caractéristiques de ces systèmes binaires, notamment leur température effective et leur luminosité, leur modèle s'appliquant à des étoiles de différentes métallicité, un paramètre important qui resta longtemps non résolu dans les équations.
Ceci dit, pour mieux comprendre la nature des hypernovae, SLSNe et GRB, les astronomes ont besoin d'instruments à très haute résolution pour rassembler de nouvelles données et affiner les modèles afin d'établir des prédictions plus précises. S'agissant de phénomènes transitoires, identifier avec certitude un rémanent d'hypernova est délicat et même si des chercheurs comme ceux de l'équipe de MAXI pensent que la grande bulle du Cygne en est un (cf. M.Kimurta et al., 2012), bien malin celui qui pourrait l'affirmer. Selon les modèles, des hypernovae et des supernovae superlumineuses pourraient être découvertes dans l'univers primordial jusqu'à z~20 ou 30 au moyen du télescope spatial James Webb. L'analyse de leur rayonnement et du SNR pourrait mettre les astrophysiciens sur la voie de la physique des GRB. En attendant cet heureux évènement, bien que nous ayons quelques pistes, l'origine des GRB reste encore en partie mystérieuse mais ne compte plus parmi les plus grands mystères de l'univers. La Science progresse. Les Fast Blue Optical Transients (FBOT) L'astrophysicienne Anna Y.W. Ho du Caltech et ses collègues ont annoncé dans la revue "Nature" en 2023 la découverte d'un nouveau phénomène cosmique extraordinaire et inédit qui génère des éruptions intenses et répétées pendant plusieurs mois. Les auteurs ont mené une étude approfondie sur cette activité éruptive sans précédent appelée "Fast Blue Optical Transient" (transitoire optique bleu rapide) ou FBOT en abrégé (on trouve aussi dans la littérature LFBOT pour Luminous Fast Blue Optical Transient). Ces sursauts lumineux sont brillants et brefs, ne durant que quelques minutes, ils peuvent se répéter et sont aussi puissants et même parfois beaucoup plus puissants que l'explosion d'une supernova. Depuis 2018, une petite dizaine de FBOT ont été identifiés à savoir : - AT2018cow détecté en 2018 par le télescope ATLAS-HKO robotisé de 500 mm f/2 lors de l'évènement SN 2018cow (une SN Ib) dans la galaxie CGCG 137-068 située dans la constellation d'Hercule à environ 197 millions d'années-lumière. L'éuption fut 10 à 100 fois plus lumineuse qu'une supernova ordinaire. - ZTF18abvkwla surnommé "Le Koala" découvert en 2018 grâce à la veille automatisée du Zwicky Transient Facility (ZTF dont la caméra est installée sur le télescope Samuel-Oschin de 1.22 m du Mont Palomar) dans une galaxie naine starburst située à environ 3.4 milliards d'années-lumière. - CSS161010 alias CRTS CSS161010 J045834-081803) découvert en 2020 grâce à la veille automatisée du Catalina Real-time Transient Survey (CRTS) dans une galaxie naine située dans la constellation d'Eridan à environ 500 millions d'années-lumière. Il faut ajouter AT2020xnd découvert grâce au ZTF, AT2020mrf découvert grâce au télescope spatial Spektr-RG et au ZTF, AT2022tsd et AT2023fhn, tous deux découverts grâce au ZTF. Ces évènements sont égalements suivis par le réseau ASAS-SN (All-Sky Automated Survey for Supernovae) comprenant 20 petits télescopes robotisés dispersés à travers le monde et scannant de vastes étendues du ciel nocturne pour ne rater aucun évènement transitoire. Ce réseau peut détecter un signal lumineux jusqu'à la magnitude d'environ 18. Quand c'est possible, ces évènements sont ensuite imaginés sans délai par les plus grands télescopes afin d'obtenir des données supplémentaires et notamment pour tenter de localiser l'origine du transitoire et obtenir son spectre.
L'émission d'un FBOT ressemble à celle d'une supernova ou d'un GRB mais l'éruption suite un profil différent. Selon les modèles, dans une supernova "ordinaire" à effondrement de coeur (l'autre type étant la supernova thermonucléaire), l'explosion libère une onde de choc sphérique de matière dans l'espace interstellaire. Si, en plus un disque d'accrétion se forme brièvement autour de l'étoile à neutrons ou du trou noir laissé après l'explosion et propulse des jets étroits de matière pratiquement à la vitesse de la lumière vers l'extérieur dans des directions opposées, ces jets peuvent produire des faisceaux étroits de rayonnement gamma, provoquant un sursaut gamma. C'est ce disque d'accrétion en rotation combiné au jet qu'il produit que les astronome appellent le "moteur". Selon les auteurs, les FBOT disposent également d'un tel moteur. Dans leur cas, contrairement aux sursauts gamma, il est enveloppé d'un matériau épais. Cette matière a probablement été éjectée par l'étoile juste avant d'exploser mais peut aussi avoir été éjectée par un compagnon binaire. Lorsque le matériau épais proche de l'étoile est frappé par l'onde de choc, cela provoque une éruption lumineuse visible peu après l'explosion. Cette émission très brillante était l'indice important prouvant que l'explosion était propulsée par un moteur. C'est cette éruption lumineuse qui leur donna le nom de "transitoires optiques bleus rapides". C'est l'une des caractéristiques qui les distinguent des supernovae ordinaires. Selon Anna Y. Q. Ho, assistante professeur d'astronomie au Caltech, spécialisée dans les phénomènes astrophysiques de haute énergie et les explosions stellaires, et autrice principale de cet article, l'enveloppe de matériau dense signifie que "l'étoile progénitrice est différente de celles qui conduisent aux sursauts gamma. Dans le cas des évènements AT2018cow et CSS161010, le matériau dense contenait de l'hydrogène, ce qui n'a jamais été observé dans les sursauts gamma." Grâce au télescope Keck, les astronomes ont découvert qu'à l'instar de AT2018cow, les évènements CSS161010 et ZTF18abvkwla se trouvent dans de petites galaxies naines. Selon les auteurs, les propriétés des galaxies naines permettraient aux étoiles de suivre des chemins évolutifs très rares conduisant à ce type particulier d'éruption. Bien qu'un élément commun aux FBOT soit qu'ils possèdent tous un "moteur central", selon les auteurs ce moteur pourrait également être le résultat d'étoiles déchiquetées par des trous noirs, bien qu'ils considèrent que les explosions de type supernova sont les candidates les plus probables. Selon Ho, "Nous pensons que ces éruptions pourraient provenir de l'un de ces restes nouvellement formés. Nous ne pensons pas que quelque chose d'autre puisse produire ce genre d'éruption. Cela met fin à des années de débat sur ce qui alimente ce type d'explosion et révèle une méthode simple pour étudier l'activité des restes stellaires." Dans le cas de l'évènement AT2022tsd surnommé "le diable de Tasmanie" (The Tasmanian devil), les sursauts lumineux furent observés en septembre 2022 à environ un milliard d'années-lumière de la Terre par le ZTF. Selon Ho, "Nous n'avions jamais rien vu de tel auparavant – quelque chose d'aussi rapide et avec une luminosité aussi forte que l'explosion initiale des mois plus tard – dans une supernova ou un FBOT. Nous n'avions jamais vu cela en astronomie, point final." Les chercheurs ont rapidement effectué des observations de suivi à l'aide de plus d'une douzaine d'autres télescopes, dont un équipé d'une caméra spécialisée à grande vitesse. Après une analyse approfondie, les chercheurs ont confirmé l'émission d'au moins 14 pulses lumineuses irrégulières sur 120 jours. Selon Ho, "Étonnamment, au lieu de s'estomper régulièrement comme on pourrait s'y attendre, la source s'est brièvement encore éclairée, et encore et encore. Les FBOT sont déjà une sorte d'évènement étrange et exotique, donc c'était encore plus étrange." Ces FBOT seraient déclenchés par la rotation rapide d'un reste d'étoile ou par un champ magnétique puissant. Il est également possible que ce type d'évènement soit provoqué par la fusion d'une étoile et d'un trou noir plutôt que par une supernova ordinaire. Les chercheurs soulignent que ces nouvelles découvertes peuvent potentiellement aider les chercheurs à comprendre comment les propriétés spécifiques des étoiles permettraient de prédire leur disparition et la nature des restes qu'elles génèrent. Prochain chapitre
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
.
Ces étoiles sont parvenues à un stade intermédiaire entre l'évolution des naines blanches et
l'effondrement explosif des étoiles à neutrons (qui peuvent se transformer en trou
noir). 
