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Des supernovae SN Ia dépassant la limite de Chandrasekhar ?

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Il devient de plus en plus clair que certaines supernovae de type SN Ia sont dues à des collisions de naines blanches. Comprendre en quelle proportion et comment se déroule ce phénomène est important si l'on veut espérer mieux comprendre la nature de l'énergie noire.

La supernova SN 1994d dans la galaxie NGC 4526. Credit : Nasa/Esa, The Hubble Key Project Team,The High-Z Supernova Search Team

Pour mesurer dans l'Univers des distances de l'ordre du milliard d'années-lumière, l'un des outils les plus utilisés est celui de la luminosité apparente des supernovae de type SN Ia. Bien qu'ils ne constituent pas vraiment ce que l'on appelle des chandelles standards, ces objets sont de bons indicateurs de distance car on sait que leur luminosité intrinsèque ne varie pas énormément.

En effet, contrairement aux autres supernovae, la masse des étoiles explosant en SN Ia ne peut pas dépasser la fameuse limite de Chandrasekhar, qui est d'environ 1,4 masse solaire. Ces explosions se produisent lorsqu'une naine blanche dans un système binaire accumule une quantité trop importante de matière arrachée à son étoile compagne par les forces de marée.

Lorsque la masse s'approche de trop près de celle de Chandrasekhar, des réactions thermonucléaires se déclenchent, conduisant à l'explosion de l'étoile. On est donc raisonnablement sûr que la luminosité à ce moment ne peut pas varier beaucoup et la supernova peut alors servir à estimer la distance. Plus la luminosité d'une SN Ia est faible par rapport à sa luminosité intrinsèque (on parle aussi de magnitude absolue), plus elle se trouve loin de nous.

En comparant la relation entre la distance déterminée par l'étude des SN Ia et le décalage spectral des galaxies dans lesquelles elles se trouvent, on a découvert en 1998 que l'Univers observable était entré en expansion accélérée depuis quelques milliards d'années. Pour expliquer ce phénomène, les astrophysiciens ont introduit la notion d'énergie noire dont la nature est inconnue.

Cette énergie noire se manifeste comme un terme supplémentaire dans les équations d'Einstein. Si ce terme ne varie pas dans le temps, on parle de constante cosmologique. Mais selon certaines théories, comme la supergravité ou la théorie de cordes, l'énergie noire varierait dans le temps.

Pour le savoir, et départager les différentes explications possibles de cette énergie noire, les mesures doivent être de plus en plus précises, ce qui implique de bien comprendre la nature des explosions de SN Ia.

Seulement voilà... Dans le cadre des grandes campagnes de mesures des SN Ia, comme Nearby Supernova Factory, on a découvert depuis 2003 quelques SN Ia anormales, plus lumineuses qu'elles ne devraient l'être. Et si un biais dans nos modèle s'était introduit, remettant en cause la relative constance de la luminosité intrinsèque de ces supernovae ?

La répartition des distances (en MPC, mégaparsecs) des SN Ia en fonction du décalage vers le rouge (redshift) permet de choisir entre des modèles d'Univers avec ou sans énergie noire accélérant l'expansion. Les observations favorisent clairement l'hypothèse d'une énergie noire. © Hawaii University

Seulement quelques repères cosmologiques à revoir

Il semble difficile de remettre en cause l'existence de l'énergie noire car on dispose maintenant d'autres observations, comme celle du rayonnement fossile, qui nous assurent qu'elle est bien réelle.

Il est également peu crédible que la limite de Chandrasekar soit complètement fausse. Elle provient d'un calcul assez élémentaire faisant intervenir la mécanique quantique et la relativité restreinte pour un modèle stellaire très général. Toutefois, il se pourrait que des effets dus à une rotation rapide des naines blanches conduisent à une limite un peu plus élevée que prévu.

L'explication la plus probable est que dans certains cas les supernovae observées soient en fait des collisions de naines blanches. De fait, un groupe de chercheurs ayant étudié de plus près la supernovae SN 2007if est parvenu à une estimation assez fiable de la masse de l'étoile génitrice : 2,1 fois le masse du Soleil !

C'est suffisamment loin de la masse de Chandrasekhar pour lever le doute sur les autres supernovae « super-Chandrasekhar », ou plus précisément pour pouvoir affirmer que de telles supernovae peuvent exister et qu'elles sont probablement des collisions de naines blanches. L'exemple d'un couple très serré observé récemment, HM Cancri, montre que cette situation est possible.

Il s'agit peut-être de la partie émergée de l'iceberg. On pourrait être amené à revoir certaines estimations en cosmologie. Mais encore une fois, il ne semble pas crédible qu'il faille s'attendre à une remise en cause soit de l'expansion accélérée du cosmos observable, soit de la théorie du Big-Bang elle-même. En revanche, notre vision de la nature de l'énergie noire pourrait changer à l'avenir. A coup sûr, cela rend l'obtention de mesures précises plus problématique.