Suite à l’explosion d’une étoile, de la supernova naquit une étoile à neutrons
En 1987, le ciel de la Terre s’est illuminé par un phénomène inhabituel. La lumière d’une étoile mourante en train de se transformer en supernova dans le Grand Nuage de Magellan est apparue pour la première fois en février. À seulement 168 000 années-lumière de la Terre, l’événement fut si brillant qu’il était visible à l’œil nu depuis la surface de notre planète, une pointe de lumière qui s’est éclaircie puis estompée au cours des mois suivants.
Image d’entête : représentation artistique de la Supernova SN 1987A. Les régions froides et internes des restes de l’étoile éclatée sont en rouge, là où d’énormes quantités de poussière ont été détectées et imagées. Cette région interne est contrastée avec la coque externe en bleu, où l’énergie de la supernova rentre en collision (en vert) avec l’enveloppe de gaz éjectée de l’étoile avant sa détonation. (A. Angelich/ NRAO/ AUI/ NSF)
Depuis lors, la matière éjectée lors de la supernova désormais appelée SN 1987A a continué d’évoluer, n’étant plus visible qu’au moyen de télescopes, mais sa proximité a donné aux scientifiques une vue sans précédent des suites immédiates et de l’évolution d’une mort stellaire massive. Il reste cependant une question absolument essentielle à résoudre. Qu’est-il advenu du noyau résiduel de l’étoile, le morceau qui aurait dû rester intact dans les débris désordonnés de ses viscères explosés ? Il se pourrait que nous ayons maintenant une réponse.
Des scientifiques qui analysent les données du télescope spatial James Webb (JWST ou Webb) ont repéré des preuves inattendues de l’existence d’une étoile à neutrons, tapie au milieu des détritus stellaires.
Selon l’astrophysicien Claes Fransson, de l’université de Stockholm (Suède), qui a dirigé l’étude (lien plus bas) :
Grâce à la superbe résolution spatiale et aux excellents instruments du JWST, nous avons pu, pour la première fois, sonder le centre de la supernova et ce qui y a été créé. Nous savons maintenant qu’il existe une source compacte de rayonnements ionisants, très probablement une étoile à neutrons. C’est ce que nous cherchions depuis l’époque de l’explosion, mais nous avons dû attendre le JWST pour pouvoir vérifier les prédictions.
La supernova à effondrement de cœur d’une étoile massive est l’un des événements les plus violents de l’Univers. Ces supernovae se produisent lorsqu’une étoile massive, dont la masse est plus de 8 fois supérieure à celle du Soleil, n’a plus assez de matière pour fusionner en son cœur. Une fois que la fusion s’est suffisamment arrêtée pour que la pression extérieure qu’elle produit ne suffise plus à contrer la pression intérieure de la gravité, l’étoile s’effondre. La matière extérieure est projetée dans l’espace, mais le cœur de l’étoile est écrasé par la gravité pour former un objet ultradense. La nature de cet objet dépend de la masse initiale de l’étoile. Selon les calculs, une étoile dont la masse initiale se situe entre 8 et 30 masses solaires produira une étoile à neutrons. Si elle est plus lourde, on obtient un trou noir.
Étant donné que nous ne sommes pas aux premières loges pour assister à de nombreuses supernovae, les scientifiques furent très enthousiastes à l’idée de voir ce phénomène se produire. Mais en raison de tous les débris, on ne savait pas si SN 1987A avait donné naissance à une étoile à neutrons ou à un trou noir. Les scientifiques pensaient qu’une étoile à neutrons serait plus probable, mais ils n’ont pas été en mesure d’observer la poussière laissée sur place avec une résolution suffisamment élevée pour le confirmer.
Le JWST a observé le célèbre vestige de cette supernova en 2022, et Fransson et son équipe se sont tournés vers ces observations pour trouver des réponses. Ils ont utilisé les capacités infrarouges du puissant télescope pour scruter les débris et ils ont eu recours à la spectroscopie pour analyser la composition du gaz qu’ils contiennent. Autour du centre du vestige de supernova, près de l’endroit où l’explosion s’est produite, ils ont trouvé quelque chose de surprenant : des atomes d’argon et de soufre lourds dont les électrons externes avaient été arrachés, un processus connu sous le nom d’ionisation.
L’ionisation, qui consiste à ajouter ou à retirer des électrons, peut prendre plusieurs formes. L’équipe a procédé à une modélisation et a constaté que, dans ce contexte particulier, il n’y avait qu’une seule explication : une étoile à neutrons. Les modèles de l’équipe ont abouti à deux scénarios d’étoiles à neutrons. Dans le premier, de puissants rayonnements ultraviolets et X provenant d’une étoile à neutrons très chaude ont arraché les électrons au fur et à mesure que l’étoile se refroidissait. Dans le second, des vents de particules émanant d’une étoile à neutrons en rotation rapide ont pu interagir avec la matière environnante pour ioniser les atomes.
Combinaison d’une image du télescope spatial Hubble de SN 1987A et de la source compacte d’argon. La faible source bleue au centre est l’émission de la source compacte détectée par l’instrument JWST/NIRSpec. À l’extérieur se trouvent les débris stellaires, qui contiennent la majeure partie de la masse et qui se développent à des milliers de km/seconde. Le « collier de perles » brillant à l’intérieur est le gaz des couches externes de l’étoile qui a été expulsé environ 20 000 ans avant l’explosion finale. Les débris rapides entrent maintenant en collision avec l’anneau, ce qui explique les points lumineux. À l’extérieur de l’anneau intérieur se trouvent deux anneaux extérieurs, vraisemblablement produits par le même processus que celui qui a formé l’anneau intérieur. Les étoiles brillantes à gauche et à droite de l’anneau intérieur ne sont pas liées à la supernova. (Télescope spatial Hubble WFPC-3/Télescope spatial James Webb NIRSpec/J. Larsson)
Selon l’astronome Mike Barlow de l’University College de Londres :
La détection par les spectromètres MIRI et NIRSpec du télescope James Webb de fortes raies d’émission d’argon et de soufre ionisés au centre même de la nébuleuse qui entoure la Supernova 1987A est une preuve directe de la présence d’une source centrale de rayonnements ionisants. Nos données ne peuvent correspondre qu’à une étoile à neutrons comme source d’énergie de ce rayonnement ionisant. Le mystère de la présence d’une étoile à neutrons dans la poussière dure depuis plus de 30 ans et il est passionnant de savoir que nous l’avons résolu.
La détection par les spectromètres MIRI et NIRSpec du télescope James Webb d’argon et de soufre ionisés au centre même de la nébuleuse qui entoure la Supernova 1987A. (NASA, ESA, CSA, and C. Fransson (Université de Stockholm), M. Matsuura (Université Cardiff), M. J. Barlow (University College de Londres), P. J. Kavanagh (Université Maynooth), J. Larsson (KTH Royal Institute of Technology))
La découverte est cohérente avec plusieurs théories sur les étoiles à neutrons. Les modèles suggèrent que l’argon et le soufre sont produits en grandes quantités à l’intérieur d’une étoile mourante juste avant qu’elle ne se transforme en supernova. Par ailleurs, les scientifiques ont prédit il y a plusieurs décennies que les rayonnements ultraviolets et X présents dans un vestige de supernova indiquaient la présence d’une étoile à neutrons naissante. Mais personne n’avait imaginé que c’est ainsi qu’elle serait trouvée. Selon l’astrophysicienne Josefin Larsson, de l’École royale polytechnique de Suède :
Cette supernova ne cesse de nous surprendre. Personne n’avait prévu que l’objet compact serait détecté par une ligne d’émission très forte de l’argon, et il est donc amusant de constater que c’est ainsi que nous l’avons trouvé dans le JWST.
L’étude publiée dans Science : Emission lines due to ionizing radiation from a compact object in the remnant of Supernova 1987A et présentée sur le site de l’University College de Londres : Newly born neutron star detected in nearby supernova.