JWST résout le mystère vieux de plusieurs décennies de la supernova proche

JWST résout le mystère vieux de plusieurs décennies de la supernova proche

Par Jonathan O’Callaghan

Il y a près de quarante ans, les habitants de la Terre ont eu droit à un spectacle cosmique rare : une étoile explosive dans notre ciel, visible à l’œil nu. Cet événement, appelé Supernova 1987A (SN 1987A), était l’événement de ce type le plus proche des quatre derniers siècles. Depuis, les astronomes ont tenté d’observer le reste stellaire qu’ils savaient caché près du centre de la supernova, caché dans une vaste nébuleuse de cendres radioactives et de gaz incandescents. Aujourd’hui, grâce à la puissance du télescope spatial James Webb (JWST), une équipe de scientifiques a finalement trouvé cette mine insaisissable, confirmant les soupçons selon lesquels l’explosion aurait créé une étoile à neutrons extrêmement dense et non des étoiles d’un trou noir avalant de la lumière.

Recherche, Publié jeudi Sciencea utilisé les capacités infrarouges sans précédent de JWST pour pénétrer le voile entourant SN 1987A, lui permettant d’être vu sous un jour vraiment nouveau. En scrutant le centre des débris laissés après la destruction de l’étoile, les astronomes dirigés par Clas Fransson de l’Université de Stockholm en Suède ont découvert des signes d’argon et de soufre ionisés, c’est-à-dire des preuves d’éléments tellement choqués par une force externe que leurs électrons étaient séparé. On ne s’attendrait pas à ce que ces éléments actifs existent si près du « point zéro » de SN 1987A, à moins qu’ils n’aient été formés par un bombardement intense d’ultraviolets et de rayons X provenant d’une étoile à neutrons proche. Un trou noir se nourrissant et crachant des éclats de radiations pourrait également expliquer ce résultat,

« C’est très excitant », déclare l’astrophysicien Mikako Matsuura de l’Université de Cardiff au Pays de Galles, qui n’a pas participé à l’étude et qui a suggéré plus tôt en 2019 qu’une étoile à neutrons serait trouvée dans cette supernova. « C’est peut-être la preuve la plus solide de la présence d’une étoile à neutrons dans la supernova 1987A. »

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SN 1987A a explosé dans le Grand Nuage de Magellan le 23 février 1987. Il s’agit d’une galaxie satellite naine de la Voie lactée située à environ 160 000 années-lumière de la Terre. Aucune supernova n’avait été observée aussi près de notre planète depuis la supernova de Kepler en 1604, lorsqu’une étoile avait explosé au sein de notre galaxie à une distance d’environ 20 000 années-lumière. Bien que SN 1987A ait été découvert initialement grâce à un éclair soudain dans le ciel, le premier signe d’une supernova est venu d’une explosion de neutrinos qui a balayé la Terre quelques heures seulement avant l’éclair lumineux. Enregistrée dans les observatoires de neutrinos disséminés sur la planète, cette explosion était une preuve claire de la formation d’une étoile à neutrons quelque part parmi les restes dispersés de l’étoile. Les arguments en faveur d’une étoile à neutrons ont été renforcés lorsqu’une analyse plus approfondie a révélé que l’ancêtre de SN 1987A était probablement une supergéante bleue avec une masse environ 18 fois celle de notre Soleil – massive mais néanmoins suffisamment légère pour se transformer facilement en une supergéante noire. fait.

Les supernovae se produisent de deux manières principales : La première est lorsqu’une étoile aspire trop de matière d’une étoile compagne plus petite et explose, ce qui donne naissance à des supernovae de type Ia telles que les supernovae de Kepler. Le deuxième type de supernova – une supernova de type II comme SN 1987A – se produit lorsqu’une étoile très massive qui a été empêchée de s’effondrer sous son propre poids par la pression extérieure de la lumière émergeant de ses profondeurs se retrouve soudainement à court de carburant en son centre. Sans lumière stellaire supplémentaire pour la soutenir, les couches externes de l’étoile s’effondrent vers le centre puis reviennent pour exploser vers l’extérieur, propageant des ondes de choc dans le matériau environnant. Ce processus peut émettre plus de lumière que les étoiles de la galaxie entière et transforme le centre de la masse solaire en une région ultradense de la taille d’une ville – une étoile à neutrons. Dans les cas où l’étoile initiale était particulièrement massive – 20 masses solaires ou plus – l’étoile à neutrons résultante, plus lourde, s’effondre alors dans un trou noir.

Joanne Pledger, de l’Université de Central Lancashire en Angleterre, qui n’a pas participé à l’étude, affirme qu’être si proche d’une étoile à neutrons est scientifiquement fascinant. « La physique est différente sur une étoile à neutrons », dit-elle, ajoutant que les champs gravitationnels extrêmes de ces objets poussent leur intérieur dans d’étranges états de matière et déforment considérablement le tissu environnant de l’espace-temps. « Si nous pouvons détecter les étoiles à neutrons, en particulier les étoiles à neutrons proches que nous pouvons très bien étudier, nous pouvons commencer à comprendre les lois de la physique dans des domaines que nous ne pouvons pas recréer en laboratoire. »

Même si les astronomes soupçonnaient déjà que SN 1987A n’avait laissé aucun trou noir, ils voulaient en être sûrs. Fransson et ses collègues ont observé des signaux distinctifs d’argon et de soufre ionisés près du centre de la supernova en juillet 2022, lorsque le JWST a commencé ses opérations scientifiques. « (SN 1987A) a été l’un des premiers objets observés », explique Fransson, qui a passé près de 10 heures au JWST à étudier les séquelles de la supernova.

« La seule source d’énergie capable de générer ces (signaux) est une étoile à neutrons », explique Patrick Kavanagh, co-auteur de l’étude, de l’Université de Maynooth, en Irlande. Pour qu’un trou noir puisse faire cela, il devrait se nourrir avidement de matière provenant d’une source – comme une autre étoile – pour laquelle il n’existe aucune preuve. « Nous sommes convaincus d’avoir évalué toutes les différentes possibilités », déclare Kavanagh. « Nous avons tout exclu sauf la présence d’une étoile à neutrons. »

Une analyse minutieuse de la lumière émise par la matière ionisée révèle que l’étoile à neutrons n’est pas exactement au milieu de SN 1987A ; Au contraire, il est légèrement décalé car il a reçu un « coup de pied » de la supernova. Lors de l’explosion de l’étoile, tout léger déséquilibre déplacerait la matière éjectée d’un côté ou de l’autre, provoquant le rebond de l’étoile à neutrons dans la direction opposée, comme un œuf expulsé d’un ballon. Les observations montrent que l’étoile à neutrons se déplace légèrement vers nous, après avoir parcouru quelque 500 milliards de kilomètres depuis son lieu de naissance cataclysmique. « La vitesse du coup de pied est d’environ 400 kilomètres par seconde », explique Kavanagh – une vitesse inimaginable pour nous sur Terre mais toujours très lente par rapport à l’immensité des années-lumière.

On ne sait pas s’il s’agit d’un vestige du SN 1987A. Maintenant! Étoile à neutrons. Il pourrait s’agir plutôt d’un pulsar – une étoile à neutrons qui tourne si rapidement qu’elle émet des flux d’énergie depuis ses pôles qui se propagent à travers une partie du ciel comme les rayons d’un phare cosmique. « S’il y a un pulsar, le faisceau n’est pas face à nous, donc nous ne pouvons pas le détecter », explique Yvette Sendes du Centre d’astrophysique de Harvard et du Smithsonian, qui n’a pas participé à l’étude. Mais il existe peut-être un autre moyen de le savoir. Dans le scénario standard d’une étoile à neutrons, la chaleur du reste stellaire est si intense qu’elle crée une balise de silicium ionisé qui se disperse loin dans le nuage étendu. Dans les modèles de pulsar – où l’émission n’est pas dominée par la chaleur, mais plutôt par des vents d’électrons et d’autres particules qui secouent les débris les plus internes – le silicium ionisé devrait être plus rare. Ainsi, si le silicium peut être observé et cartographié autour de SN 1987A, « nous pouvons faire la distinction entre les deux », explique Kavanagh. La réponse pourrait résider dans les observations de suivi non encore publiées du JWST prises par l’équipe à l’automne 2023 et plus tôt cette semaine.

Ces observations fournissent un nouvel aperçu des premiers instants qui suivent une supernova de type II. « Nous n’avons jamais vu de formation d’étoiles à neutrons auparavant », explique Fransson. Maintenant que nous l’avons vu, une étude plus approfondie de cet objet cosmiquement jeune avec le JWST et d’autres télescopes aidera les astronomes à en apprendre davantage sur ces événements stellaires déroutants. « C’est le mieux que nous puissions étudier jusqu’à ce que nous voyions une supernova dans notre propre galaxie », explique Sendes.