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A-t-on découvert une nouvelle classe de supernovae ?

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On observe depuis quelque temps des supernovae atypiques. Certains astrophysiciens pensent qu'elles révèlent l'existence d'une toute nouvelle classe d'explosions d'étoiles. Elle pourrait permettre de mieux comprendre l'origine du calcium de nos os et expliquer en partie l'énigme des positrons galactiques, sans faire appel à la matière noire.

Une des théories proposées pour expliquer les observations de SN 2005E fait intervenir une naine blanche accrétant à partir d'une compagne non pas de l'hydrogène mais de l'hélium, jusqu'à ce qu'elle devienne très chaude et dense et qu'une explosion nucléaire se produise. L'hélium se transforme alors en éléments comme le calcium et le titane. Crédit : Avishay Gal-Yam, Weizmann Institute of Science

On connaissait jusqu'à présent deux grandes classes de supernovae, ces explosions d'étoiles qui peuvent générer autant de lumière qu'une galaxie toute entière contenant une centaine de milliards d'étoiles.

Les supernovae SN II sont le produit d'une étoile dépassant les 8 masses solaires et dont le cœur s'effondre pour donner naissance à une étoile à neutrons et, parfois, si l'étoile génitrice est assez massive, à un trou noir.

Les supernovae SN Ia, elles, sont liées à des naines blanches accrétant de l'hydrogène qu'elles arrachent avec leur force de marée à une étoile compagne en orbite rapprochée. Constituées essentiellement de carbone et d'oxygène, ces naines blanches seraient intégralement détruites par une explosion thermonucléaire lorsque leur masse s'approche de très près de la fameuse masse de Chandrasekhar, la masse limite imposée par les lois de la mécanique quantique et de la relativité restreinte pour ce genre d'astre.

Toutefois, on suspecte depuis quelque temps qu'un nombre peut-être non négligeable de SN Ia sont en fait le résultat de collisions entre des naines blanches. Si l'on croit une publication récente par un groupe d'astrophysiciens dans le journal Nature, quelques supernovae observées, comme en particulier SN 2005E étudiée à l'aide du Katzman Automatic Imaging Telescope (KAIT), relèveraient d'une autre explication, bien que faisant toujours intervenir une naine blanche.

Cliquer pour agrandir. Une supernova SN Ia est le produit d'une naine blanche accrétant de la matière qu'elle arrache à une étoile compagne. Sur cette image d'artiste on voit une géante rouge ayant atteint son lobe de Roche et perdant du gaz qui vient former un disque autour d'une naine blanche avant de s'y accumuler. Lorsque la masse de la naine blanche approche celle de Chandrasekhar, une explosion se produit, comme le montre le schéma de droite. Crédit : ESO

Un cocktail nucléaire conduit au calcium, au titane et au scandium

Comme son nom l'indique, SN 2005E a été observée en 2005 dans la galaxie spirale NGC 1032, située à 110 millions d'années-lumière de notre Voie lactée. Les spectres de cette supernova faiblement lumineuse font apparaître une quantité anormalement élevée de calcium. En outre, une estimation de la masse éjectée par l'explosion, seulement 0,3 masse solaire, suggère que celle de l'étoile génitrice était faible.

Cette dernière observation est consistante avec celle montrant que NGC 1032 présente un faible taux de formation de nouvelle étoiles et celles de la région entourant SN 2005E qui impliquent fortement que l'étoile ayant explosé était vieille et à faible masse.

Or, la présence des raies de l'hélium et les caractéristiques de la courbe de luminosité de SN 2005E avaient d'abord fait penser aux chercheurs qu'ils étaient en présence d'une SN Ib. Il s'agit d'une étoile massive, au moins plusieurs dizaines de fois plus que le Soleil, et très chaude, ayant perdu sa couche externe d'hydrogène et laissant apparaître sa couche d'hélium. Comme dans le cas des SN II, l'explosion résulterait des mécanismes encore mal compris accompagnant l'effondrement gravitationnel de son cœur.

Les dernières analyses n'étant donc pas favorables à cette hypothèse et comme d'autres supernovae présentant des caractéristiques similaires à SN 2005E ont été récemment observées, ces observations ouvrent la porte à l'existence d'une toute nouvelle classe de supernovae.

Il y aurait bien eu au départ une naine blanche mais au lieu d'accréter de l'hydrogène en provenance d'une étoile compagne, c'est de l'hélium qui se serait s'accumulé à la surface de la naine contenant majoritairement du carbone et de l'oxygène. Là encore, des réactions thermonucléaires ont fini par se produire, conduisant à l'explosion. Le mélange hélium-carbone-oxygène dans ce type de supernovae permet, lors de l'explosion, la production de grandes quantités de calcium mais aussi de titane 44 radioactif se désintégrant en scandium 44 avec émission d'un positron.

S'ils ont raison, la proposition des chercheurs est doublement intéressante. En effet, l'origine de l'abondance du calcium dans la Voie lactée par exemple n'est pas très bien comprise. Deux supernovae de ce nouveau genre par siècle suffiraient à rendre compte des abondances observées.

Enfin, les positrons émis par les désintégrations des noyaux de titane 44 pourraient rendre compte, en partie au moins, de l'abondance anormale des positrons dans le cœur de la Voie lactée ou dans les observations de satellites comme Pamela. Ce ne serait pas nécessairement une bonne nouvelle cependant pour ceux qui interprètent ces excès de positrons comme des signatures indirectes de la présence de particules de matière noire instables se désintégrant en ces particules d'antimatière.

La situation reste cependant confuse pour l'interprétation des observations de SN 2005E. Nature publie simultanément un autre article, d'une équipe japonaise celui-là, qui explique ces mêmes observations à l'aide de l'explosion d'une étoile dont la masse est comprise entre 8 et 12 fois celle du Soleil. SN 2005E serait alors effectivement une forme un peu particulière de SN Ib...

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