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L'onde de choc d'une supernova observée pour la première fois

Une équipe internationale de chercheurs a retrouvé, dans les données de la première mission Kepler, deux étoiles surprises en train d’exploser en supernova. C’est la première fois que le flash provoqué par l’onde de choc qui traverse la supergéante rouge jusqu’à la surface a pu être observé dans le visible. Même si l’énergie dispensée par l’explosion des deux étoiles était similaire, la plus petite des deux n’a cependant rien daigné montrer.


Lorsqu’une étoile massive a consommé tout son combustible, elle peut se transformer en supernova. En explosant, elle libère les éléments chimiques qu’elle a synthétisés durant son existence. Ce phénomène rare a pu être observé par le satellite Kepler. Voici en vidéo une reconstitution de l’évènement.

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On connait plus le satellite Kepler pour ses nombreux faits d’armes en matière de chasse aux exoplanètes (il a trouvé plus de la moitié de celles qui ont été confirmées à ce jour) entre 2009 et 2013, que pour l’étude qu’il permet d’une multitude d’étoiles de notre galaxie et au-delà via leurs éventuelles variations de luminosité.

Dans le cadre du programme KEGS (Kepler Extragalactic Survey), une équipe, motivée par le fait de surprendre dans les données compilées par Kepler les derniers souffles d’étoiles massives juste avant qu’elles n’explosent, n’a pas eu peur de fouiller parmi les mesures de luminosité effectuées toutes les 30 minutes durant plus de trois ans de quelque 500 galaxies, ce qui représente un échantillon de plus de 50.000 milliards d’étoiles.

La pêche fut plutôt bonne pour l’équipe et la patience récompensée puisqu’ils ont retrouvé dans les filets du satellite, deux supernovæ de type II. Surtout, ils ont pu entrevoir les derniers instants des étoiles observées, notamment le flash en surface créé par l’onde de choc qui les a traversées et dévastées après l’effondrement du cœur. Observer le phénomène à des échelles de temps si réduites représente une étape importante pour les chercheurs. « Vous ne savez pas quand une supernova va se déclencher, explique Peter Garnavich, de l’université de Notre-Dame, dans l’Indiana, qui a dirigé cette étude à paraître dans The Astrophysical Journal, et la vigilance de Kepler nous a permis d’être témoin de l’explosion qui commence ». D'ailleurs, ce qu’ils ont vu ne les a pas déçus.

Le cœur des supergéantes rouges s'est effondré

Juste avant qu’elles n’explosent (c’était en 2011), les deux étoiles épinglées étaient des supergéantes rouges. De par leurs masses, leurs vies furent relativement courtes : quelques millions d’années. Après avoir avidement dépensé toutes leurs réserves de carburant, leur cœur s’est effondré, comprimant toujours plus la matière jusqu’au rebond. Plus près de chez nous, c’est le sort qui attend Antarès (dans le Scorpion) et Bételgeuse (dans Orion).

Celle désignée KSN 2011a, distante tout de même de 700 millions d’années-lumière, était, dans ses derniers instants, 300 fois plus grosse que notre Soleil. Quant à la seconde, KSN 2011d, située à quelque 1,2 milliard d’années-lumière, elle faisait 500 fois la taille de notre étoile. (Si ces monstres étaient à la place du Soleil, au centre du Système solaire, la Terre serait à l’intérieur et, pour la plus grande des deux, Mars aussi y figurerait).

Courbe de luminosité (brightness, en anglais sur l'image) de KSN 2011d, avant et pendant son explosion en supernova de type II. Grâce à Kepler, ses derniers instants ont pu être étudiés. L’observation est conforme aux prédictions des modèles mathématiques. En fin de vie, la supergéante rouge (500 fois la taille du Soleil) était environ 20.000 fois plus brillante que le Soleil jusqu’au sursaut d’une vingtaine de minutes (flash lumineux ou shock breakout, en anglais), qui décupla sa luminosité et la fit culminer à 130 millions de fois celle de notre étoile. Quelques jours plus tard, l’astre était un milliard de fois plus brillant que le Soleil ! © Nasa, Ames, W. Stenzel
Courbe de luminosité (brightness, en anglais sur l'image) de KSN 2011d, avant et pendant son explosion en supernova de type II. Grâce à Kepler, ses derniers instants ont pu être étudiés. L’observation est conforme aux prédictions des modèles mathématiques. En fin de vie, la supergéante rouge (500 fois la taille du Soleil) était environ 20.000 fois plus brillante que le Soleil jusqu’au sursaut d’une vingtaine de minutes (flash lumineux ou shock breakout, en anglais), qui décupla sa luminosité et la fit culminer à 130 millions de fois celle de notre étoile. Quelques jours plus tard, l’astre était un milliard de fois plus brillant que le Soleil ! © Nasa, Ames, W. Stenzel

L’équipe a relevé que tout s’est déroulé… comme prévu par les modèles, à quelques détails près. Les deux supernovæ ont en effet explosé avec une intensité et une violence similaire, mais la plus petite n’a cependant pas daigné montrer les signes que l’onde de choc avait atteint sa surface, en l’occurrence le flash initial. Cela est peut-être dû à une enveloppe de gaz qui l’a masqué, spéculent pour l’instant les astrophysiciens. « C’est le mystère de ces résultats. »

« La vie existe grâce aux supernovæ »

Pouvoir épier de la sorte les derniers jours, et même les dernières minutes d’une étoile massive, avant qu’elle ne vole en éclats permet aux chercheurs de mieux comprendre et décrire les étapes qui mènent à la création des éléments plus lourds disséminés dans l’univers. « Par exemple, tout l’argent, le nickel et le cuivre sur Terre et même notre corps viennent de la mort explosive des étoiles, rappelle Steve Howell, membre de la mission Kepler. La vie existe grâce aux supernovæ. »

Il y a certes fort à faire à rechercher d’autres candidats dans les données de l’observatoire spatial, mais avec K2, programme de reconversion mis en place suite à un problème technique qui le stabilisait, l’équipe prévoit des moissons de données encore plus importantes, y compris au sein de galaxies très lointaines…

Finalement, ces deux supernovæ qui viennent d’être présentées ne sont en quelque sorte qu’un « préambule alléchant à ce qui est à venir avec K2 ! », clame Tom Barclay, chercheur dans la mission Kepler.

Illustration du flash lumineux produit lorsque l’onde de choc qui traverse la supergéante rouge après l’effondrement de son cœur atteint la surface et la déchire. Dans le cas de KSN 2011d, 500 fois plus grosse que le Soleil, elle a parcouru ses entrailles en environ 20 minutes. L’étoile vit ses derniers instants avant l’explosion. © Nasa, Ames, STScI Illustration du flash lumineux produit lorsque l’onde de choc qui traverse la supergéante rouge après l’effondrement de son cœur atteint la surface et la déchire. Dans le cas de KSN 2011d, 500 fois plus grosse que le Soleil, elle a parcouru ses entrailles en environ 20 minutes. L’étoile vit ses derniers instants avant l’explosion. © Nasa, Ames, STScI

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KSN2011d Kepler


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