Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par des astrophysiciens de l'Université du Nord-Ouest, a détecté un type d'explosion de type explosive, ou supernova, riche en silicium, en soufre et en argon. L'étude, « Supernova extrêmement dépouillé révèle un site de formation de silicium et de soufre », est publié dans la revue Nature.
Lorsque des étoiles massives explosent, les astrophysiciens trouvent généralement de fortes signatures d'éléments légers, tels que l'hydrogène et l'hélium. Mais la supernova nouvellement découverte, surnommée SN2021YFJ, a montré une signature chimique différente surprenante.
Les astronomes ont longtemps théorisé que les étoiles massives ont une structure en couches, similaire à un oignon. Les couches les plus externes comprennent principalement les éléments les plus légers. Au fur et à mesure que les couches se déplacent vers l'intérieur, les éléments deviennent de plus en plus lourds jusqu'à atteindre le noyau de fer le plus intérieur.
Les observations de SN2021YFJ suggèrent que l'étoile massive a perdu en quelque sorte ses couches externes d'hydrogène, d'hélium et de carbone – exposant les couches internes et riches en soufre – avant exploser. Cette constatation offre des preuves directes de la structure en couches intérieures à long terme des géants stellaires et offre un aperçu sans précédent dans l'intérieur profond d'une étoile massive – des moments avant sa mort explosive.
« C'est la première fois que nous voyons une étoile qui a été essentiellement dépouillée de l'os », a déclaré Steve Schulze de Northwestern, qui a dirigé l'étude.
« Cela nous montre comment les étoiles sont structurées et prouvent que les étoiles peuvent perdre beaucoup de matériel avant qu'elles explosent. Non seulement ils peuvent perdre leurs couches les plus à l'extérieur, mais elles peuvent être complètement dépouillées tout le long et produire une explosion brillante que nous pouvons observer à partir de très, très, très lointaines distances. »
« Cet événement ressemble littéralement à rien que quelqu'un ait jamais vu auparavant », a ajouté Adam Miller de Northwestern, un auteur principal de l'étude.
« C'était presque si bizarre que nous pensions que nous n'avions peut-être pas observé le bon objet. Cette étoile nous dit que nos idées et nos théories sur la façon dont les étoiles évoluent sont trop étroites. Ce n'est pas que nos manuels sont incorrects, mais ils ne capturent clairement pas pleinement de tout ce que nous n'avions pas considéré. »
Expert des objets transitoires les plus extrêmes de l'astronomie, Schulze est un associé de recherche au Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (Ciera). Miller est professeur adjoint de physique et d'astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et un membre de premier plan de Ciera et du NSF-Simons AI Institute for the Sky.
Un oignon chaud et brûlant
Pesant 10 à 100 fois plus lourds que notre soleil, les étoiles massives sont alimentées par la fusion nucléaire. Dans ce processus, une pression intense et une chaleur extrême dans le noyau stellaire font que les éléments plus légers fusionnent, générant des éléments plus lourds. Lorsque la température et la densité augmentent dans le noyau, la brûlure commence dans les couches externes.
Au fur et à mesure que l'étoile évolue au fil du temps, des éléments plus lourds sont brûlés dans le noyau, tandis que des éléments plus légers sont brûlés dans une série de coquilles entourant le noyau. Ce processus se poursuit, conduisant finalement à un noyau de fer. Lorsque le noyau de fer s'effondre, il déclenche une supernova ou forme un trou noir.
Bien que les étoiles massives perdent généralement des couches avant d'exploser, SN2021YFJ a éjecté beaucoup plus de matériel que les scientifiques n'avaient jamais détecté auparavant. D'autres observations des «étoiles dépouillées» ont révélé des couches d'hélium ou de carbone et d'oxygène – exposées après la perte de l'enveloppe externe de l'hydrogène. Mais les astrophysiciens n'avaient jamais aperçu quelque chose de plus profond que cela, ce qui doit être en jeu quelque chose d'extrêmement violent et extraordinaire.
Chasser une bizarrerie cosmique
Schulze et leur équipe ont découvert SN2021YFJ en septembre 2021, en utilisant l'accès de Northwestern à l'installation transitoire de Zwicky (ZTF). Situé juste à l'est de San Diego, ZTF utilise une caméra à large champ pour scanner tout le ciel nocturne visible. Depuis son lancement, le ZTF est devenu le principal moteur de découverte du monde pour les transitoires astronomiques – des phénomènes de fleuriss comme des supernovae qui s'évasent soudainement puis s'estompent rapidement.
Après avoir parcouru les données ZTF, Schulze a repéré un objet extrêmement lumineux dans une région de formation d'étoiles située à 2,2 milliards d'années-lumière de la Terre.
Pour obtenir plus d'informations sur l'objet mystérieux, l'équipe a voulu obtenir son spectre, qui décompose la lumière dispersée en couleurs des composants. Chaque couleur représente un élément différent. Ainsi, en analysant le spectre d'un supernova, les scientifiques peuvent découvrir quels éléments sont présents dans l'explosion.
Bien que Schulze a immédiatement sauté en action, leur recherche de spectre a frappé plusieurs impasses. Les télescopes du monde entier n'étaient pas disponibles ou ne pouvaient pas voir à travers les nuages pour obtenir une image claire. Heureusement, l'équipe a reçu une surprise d'un collègue d'astronomie, qui a rassemblé un spectre utilisant des instruments à l'Observatoire WM Keck à Hawai'i.
« Nous pensions que nous avions pleinement perdu notre opportunité d'obtenir ces observations », a déclaré Miller. « Donc, nous nous sommes couchés déçus. Mais le lendemain matin, un collègue de l'UC Berkeley a fourni un spectre de manière inattendue. Sans ce spectre, nous n'avons peut-être jamais réalisé que c'était une explosion étrange et inhabituelle. »
« Nous avons vu une explosion intéressante, mais nous n'avions aucune idée de ce que c'était », a déclaré Schulze à propos de SN2021YFJ. « Presque instantanément, nous avons réalisé que c'était quelque chose que nous n'avions jamais vu auparavant, nous devions donc l'étudier avec toutes les ressources disponibles. »
« Quelque chose de très violent a dû arriver ''
Au lieu de l'hélium typique, du carbone, de l'azote et de l'oxygène – dans d'autres supernovae dépouillés – le spectre était dominé par de forts signaux de silicium, de soufre et d'argon. La fusion nucléaire produit ces éléments plus lourds dans l'intérieur profond d'une étoile massive au cours de ses derniers stades de la vie.
« Cette étoile a perdu la majeure partie du matériel qu'elle a produit tout au long de sa vie », a déclaré Schulze. « Ainsi, nous ne pouvions voir que le matériel formé pendant les mois juste avant son explosion. Quelque chose de très violent devait être arrivé à cela. »
Alors que la cause précise de ce phénomène reste une question ouverte, Schulze et Miller proposent qu'un processus rare et puissant était en jeu. Ils explorent plusieurs scénarios, notamment des interactions avec une étoile complémentaire potentielle, une éruption massive de pré-supernova ou même des vents stellaires inhabituellement forts.
Mais, très probablement, l'équipe pose cette mystérieuse supernova est le résultat d'une étoile massive se déchire littéralement. Alors que le noyau de l'étoile se serre vers l'intérieur sous sa propre gravité, il devient encore plus chaud et plus dense.
La chaleur et la densité extrêmes remontent ensuite la fusion nucléaire avec une intensité si incroyable qu'elle provoque une puissante explosion d'énergie qui repousse les couches extérieures de l'étoile. Chaque fois que l'étoile subit un nouvel épisode d'instabilité des paires, l'impulsion correspondante permet plus de matériel.
« L'une des éjections de coquille les plus récentes est entrée en collision avec une coquille préexistante, qui a produit l'émission brillante que nous avons vue comme SN2021YFJ », a déclaré Schulze.
« Bien que nous ayons une théorie sur la façon dont la nature a créé cette explosion particulière », a déclaré Miller. « Je ne parierais pas ma vie que c'est correct, car nous n'en avons encore qu'un exemple découvert. Cette étoile souligne vraiment la nécessité de découvrir davantage de ces rares supernovae pour mieux comprendre leur nature et comment elles se forment. »
