La galaxie spirale NGC 1309 vue par Hubble en fausses couleurs. Elle se trouve à environ 120 millions d'années-lumière de la Voie lactée. © Nasa, Esa
Sciences

Une naine blanche a survécu à son explosion en supernova en devenant une étoile « zombie »

ActualitéClassé sous :Astronomie , naine blanche , supernova SN Ia

[EN VIDÉO] Comment évoluent les étoiles ?  Les étoiles naissent, vivent et meurent. Leur histoire est déterminée par leur masse initiale, laquelle décide des réactions thermonucléaires qui s'y produiront et des types de noyaux qu'elles synthétiseront avant de finir leur vie sous forme de naines blanches, d'étoiles à neutrons ou de trous noirs. 

Parce qu'elle a survécu à son explosion sous forme de supernova de type SN Ia en devenant plus brillante qu'elle ne l'était initialement, une naine blanche, qui aurait dû être totalement soufflée par l'explosion, a été baptisée étoile « zombie ». Sous le regard de Hubble, elle confirme l'existence d'une nouvelle classe de supernovae appelée depuis quelques années SN Iax. Tout comme pour ses sœurs, on ne comprend pas encore très bien l'origine de la supernova SN 2012Z.

Dans environ deux semaines, la Nasa rendra publiques les premières images et données spectroscopiques du télescope spatial James-Webb permettant de débuter la collecte d'informations scientifiques avec ce nouvel œil sur orbite de la noosphère. Mais le télescope Hubble, son prédécesseur, n'a pas encore dit son dernier mot, que ce soit avec de nouvelles observations ou en analysant d'une nouvelle manière celles qu'il a faites dans le passé et qui sont archivées pour les prochaines générations d'astrophysiciens.

Sur ce dernier point, une nouvelle preuve vient d'en être donnée par Curtis McCully, chercheur postdoctoral à l'UC Santa Barbara et à l'observatoire de Las Cumbres, qui a publié avec ses collègues un article dans le réputé The Astrophysical Journal. Disponible sur arXiv, il contient des résultats issus d'observations menées avec Hubble au cours des années 2000-2010 et qui ont été présentés lors d'une conférence de presse à l'occasion de la 240e réunion de la Société astronomique américaine.

Les chercheurs y ont annoncé qu'ils avaient confirmé l'existence d'un nouveau type de supernovae thermonucléaires, une variante des supernovae de type SN Ia produites avec des naines blanches et qui sont dénommées des SN Iax. Moins puissantes que leurs cousines, mais plus que les simples novae, elles ne conduisent pas à la destruction de leur étoile génitrice et c'est une surprise qui brouille notre compréhension des supernovae avec des naines blanches.

La SN Iax s'est produite en janvier 2012, sous la forme de la supernova SN 2012Z ayant été détectée dans le cadre du programme de recherche Lick Observatory Supernova Searchdans une galaxie spirale voisine de la Voie lactée, NGC 1309.

Un zoo de supernovae

Mais avant d'examiner cette découverte de plus près, reprenons quelques explications déjà données par Futura dans un précédent article. Elle concerne ce que l'on a appelé pendant plusieurs siècles depuis Tycho Brahe et Johannes Kepler, célèbres bâtisseurs du Ciel, des « nouvelles étoiles », en abrégé des novae, à partir du latin stella nova qui signifie « nouvelle étoile ». Mais il avait fallu attendre les années 1930 et les travaux de Walter Baade et Fritz Zwicky pour que l'on se rende compte des différences existantes entre les novae et les supernovae. Rapidement, furent également découvertes les premières sous-classes de supernovae aujourd'hui célèbres, les SN I et les SN II de la fameuse classification conçue par l'astronome germano-américain Rudolph Minkowski et l'astronome suisse Fritz Zwicky.

Extrait du documentaire Du Big bang au Vivant (ECP Productions, 2010). Jean-Pierre Luminet parle de l'évolution des étoiles de type solaire, leur transformation en géantes rouges, puis en naines blanches. © Jean-Pierre Luminet

Les SN Ia sont des explosions thermonucléaires de naines blanches dans des systèmes binaires alors que les SN II, bien plus puissantes, sont des explosions produites par des étoiles bien plus lourdes que le Soleil et qui s'effondrent gravitationnellement en donnant des étoiles à neutrons, ou des trous noirs si elles sont assez massives. Dans tous les cas, les différences entre supernovae (d'autres allaient être mises en évidence jusqu'à nos jours encore), se trouvent au niveau du spectre traduisant la présence de certains éléments dans la lumière des explosions et dans les variations et les durées des intensités lumineuses (les courbes de lumière) de ces cataclysmes stellaires.

Les SN Ia classiques

Ainsi, les supernovas de type I ont un spectre qui ne contient pas d'hydrogène alors que les supernovas de type II ont un spectre qui en contient. Parmi les supernovas de type I, on distingue trois sous-classes, de sorte que si le spectre montre la présence de silicium, on parle de type Ia mais si le spectre n'en montre pas, on regarde l'abondance d'hélium. En présence d'une quantité notable d'He, on parle de type Ib et inversement, en présence de faible quantité d'hélium, on parle de type Ic.

On vient donc d'introduire maintenant depuis quelques années le type SN Iax.

Une animation montrant le modèle standard pour une SN Ia, voir les explications ci-dessous. © Caastro

Le modèle classique pour une SN Ia était le suivant. Tout commence dans un système binaire où une étoile un peu plus massive que l'autre, mais ne dépassant pas les 8 à 10 masses solaires, évolue plus rapidement en devenant d'abord une naine rouge. Cela la conduit à perdre de la masse avec des vents violents, pour finir par laisser un cadavre stellaire sous la forme d'une naine blanche contenant moins de 1,44 fois la masse du Soleil.

Si les deux étoiles sont assez proches l'une de l'autre quand la seconde devient à son tour une géante rouge, les forces de marée gravitationnelles de la première lui arrachent de la masse. Il se forme un disque d'accrétion autour de la naine blanche qui voit sa masse augmenter en avalant, pour former ses couches extérieures, de l'hydrogène et de l'hélium alors que son cœur contient beaucoup de carbone et d'oxygène. Une série de réactions thermonucléaires s'enclenchent en s'emballant quand la masse de la naine blanche atteint 1,44 fois celle du Soleil et une explosion thermonucléaire se produit alors, détruisant totalement la naine blanche et laissant un reste de supernova, comme on peut le voir dans l'animation de la vidéo ci-dessus.

Le panneau en médaillon est une paire d'images du télescope spatial Hubble de la galaxie spirale NGC 1309 qui a été prise avant et après l'apparition de Supernova 2012Z, à la périphérie de la galaxie. L'élément blanc en forme de X en haut de l'image de la galaxie marque l'emplacement de la supernova. Le panneau en médaillon de 2013 montre la supernova ; les données d'archives de Hubble de 2005 et 2006 montrent le système progéniteur de la supernova, considéré comme un système binaire contenant une étoile d'hélium transférant de la matière à une naine blanche qui a explosé. ©Nasa, ESA, C. McCully et S. Jha (Rutgers University), R. Foley (University of Illinois), et Z. Levay (STScI); Hubble Heritage Team (STScI/Aura), et A. Riess (JHU/STScI).

Une étoile zombie produite par une SN Iax

Cette image a commencé à se troubler depuis environ une décennie. On a d'abord suspecté que certaines SN Ia sont en fait parfois des collisions de naines blanches et, de fait, des observations soutiennent ce scénario.

Enfin, depuis quelques années, après avoir été en mesure d'évaluer la masse de naines blanches génitrices de supernovae SN Ia, on a découvert qu'elle était inférieure à la masse de Chandrasekhar, de sorte qu'il est devenu nécessaire de revoir les mécanismes à l'origine de l'explosion thermonucléaire.

De façon surprenante dans le cas de SN 2012Z, non seulement la naine blanche a-t-elle survécu à une explosion en mode supernova mais elle est devenue plus brillante comme le montre le médaillon à droite de la photo ci-dessus, ce qui suggère une augmentation de taille. On a décrit ce phénomène en parlant d'étoile « zombie » puisqu'elle est en quelque sorte revenue à la vie, tout en restant fondamentalement le cadavre d'une étoile jadis sur la séquence principale.

Une supernova de type Iax est moins brillante et sa courbe de lumière évolue plus lentement, ce qui a laissé penser aux astrophysiciens nucléaires que SN 2012Z était en quelque sorte une supernova ratée, dont les détails de réactions thermonucléaires derrière l'explosion sont encore mal compris. C'est vraiment troublant et, pour le moment, cela défie les précédents modèles de SN Ia car, dans le cas de SN 2012Z, l'explosion s'est bien produite avec une étoile génitrice que l'on a pu identifier sur des images d'archives de Hubble, et dont la masse était proche de celle de Chandrasekhar. Mieux, c'est la première fois que l'on identifie la naine blanche génitrice d'une supernova.

Dans le communiqué de l'UC Santa Barbara qui accompagne la découverte, McCully conclut que « les implications pour les supernovae de type Ia sont profondes. Nous avons découvert que les supernovae, au moins, peuvent croître jusqu'à la limite et exploser. Pourtant, les explosions sont faibles, au moins une partie du temps. Maintenant, nous devons comprendre ce qui fait qu'une supernova échoue et devient de type Iax, et ce qui fait qu'une supernova réussit en tant que type Ia ».


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