Les étoiles ont des couches comme les oignons, selon la théorie. Les couches sont faites d'éléments différents, passant de la lumière à lourde, plus les couches sont profondes. Bien que la théorie soit forte, l'observation des couches intérieures d'une étoile a été fondamentalement impossible.
Jusqu'à maintenant.
Les astronomes travaillant avec l'Observatoire de Keck à Hawaï ont obtenu des données spectroscopiques à partir d'une supernova découverte par l'installation transitoire de Zwicky en 2021. L'étoile explosante est de 2,2 milliards d'années-lumière et est nommée SN 2021YFJ. Les données Keck ont montré la présence de silicium ionisé, de soufre et d'argon. Ceux-ci n'ont jamais été observés dans une supernova auparavant, car ils sont généralement enterrés sous d'autres couches.
Cette découverte confirme à la fois une certaine compréhension théorique des étoiles explosives et défie d'autres.
Les astronomes savent qu'à mesure qu'une étoile massive vieillit et évolue vers l'explosion en tant que supernova, il éjecte du matériel de ses couches extérieures. Ils l'ont observé se produire et ces observations montrent que cela se produit. Mais cette étoile a éjecté plus de matériel que toute étoile précédemment observée.
Les observations sont présentées dans un nouveau document publié sur le arxiv Serveur de préparation intitulé « Un site de formation cosmique de silicium et de soufre révélé par un nouveau type d'explosion de supernova ». L'auteur principal est Steve Schulze, associé de recherche au Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics de l'Université Northwestern.
« C'est la première fois que nous voyons une étoile qui était essentiellement dépouillée de l'os », a déclaré l'auteur principal Schulze dans un communiqué de presse. « 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 externes, mais elles peuvent être complètement dépouillées jusqu'au cœur et produire toujours une explosion brillante que nous pouvons observer à partir de très, très, distances. »
Lorsque les astronomes observent une supernova, ils voient généralement de fortes indications d'éléments légers comme l'hydrogène et l'hélium. Des couches d'éléments telles que le carbone, l'oxygène, le néon et le magnésium sont également parfois observées si l'hydrogène et l'hélium le plus externe ont été perdus. Des couches plus profondes contenant des éléments plus lourds comme le silicium, le soufre et l'argon sont obscurcis.
La compréhension théorique de longue date des étoiles dit que les étoiles massives sont superposées comme des oignons, et ces nouvelles observations Keck soutiennent cela. En voyant les couches intérieures d'une étoile massive juste avant son explosion, la découverte est la première fois que les observations soutiennent cette théorie si clairement.
Cependant, les observations posent également un défi. Les astrophysiciens savent que les étoiles massives éjectent du matériel avant d'exploser comme supernova. Les ondes de choc de la matière expulsée interagissent avec le milieu environnant, le chauffant et créant des signatures de lumière observables. Mais SN 2021YFJ doit avoir éjecté beaucoup plus de matériel que possible, car il est dépouillé jusqu'à son cœur.
« Cet événement ressemble littéralement à rien que quelqu'un ait jamais vu auparavant », a ajouté Adam Miller, professeur adjoint de physique et d'astronomie à Northwestern et auteur principal de l'étude. « Cette star 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 entièrement tout ce qui est produit dans la nature. Il doit y avoir des voies plus exotiques pour une étoile massive pour mettre fin à sa vie que nous n'avions pas considérée. »
Les étoiles massives ont le pouvoir de fusionner des éléments plus légers en éléments plus lourds dans un processus appelé nucléosynthèse. (Sans nucléosynthèse stellaire, les seuls éléments de l'univers seraient ceux créés pendant le Big Bang.)
Tout au long de sa vie de fusion, une étoile massive brûle des éléments plus légers comme l'hydrogène et l'hélium dans ses coquilles extérieures, tandis que dans son noyau, il brûle successivement des éléments plus lourds dans ses couches plus profondes. Finalement, une étoile se retrouve avec un noyau de fer. Le fer ne peut pas être brûlé pour libérer plus d'énergie, donc une fois que le noyau est dominé par le fer, la fusion cesse pratiquement. Sans la pression extérieure de la fusion, l'étoile s'effondre sur elle-même et explose comme une supernova.
Les astrophysiciens ont observé des couches d'hélium, de carbone et d'oxygène dans des étoiles explosives auparavant, qui sont visibles après que l'étoile a éjecté sa couche externe d'hydrogène. En observant le silicium, le soufre et l'argon, cela signifie que cette étoile a éjecté non seulement sa couche d'hélium externe, mais aussi d'autres couches. Cela s'est probablement produit dans plusieurs épisodes plutôt qu'à une fois.
« Les stars connaissent des instabilités très fortes », a déclaré Schulze. « Ces instabilités sont si violentes qu'elles peuvent provoquer le contrat de l'étoile. Ensuite, il libère soudainement tellement d'énergie qu'il perd ses couches les plus à l'extérieur. Il peut le faire plusieurs fois. »
Alex Filippenko est professeur d'astronomie à UC Berkeley et co-auteur du journal. Il a travaillé avec le Keck lorsque SN 2021YFJ a été découvert, et a rapidement pivoté pour capturer son spectre avec les Lris du Keck.
« C'est tellement excitant de découvrir une nouvelle classe d'explosion d'étoile, en particulier de celle qui fournit une confirmation de certaines de nos théories sur l'évolution des étoiles massives avec le temps, mais révèle également de nouveaux puzzles intéressants », a déclaré Filippenko. « Il a été très chanceux que mon équipe utilisait le télescope Keck I la nuit SN 2021YFJ a été découverte – nous avons pu obtenir un spectre qui a directement conduit à la prise de conscience qu'il s'agissait d'un nouveau type de supernova incroyablement spécial. Les opportunités de ce type sont rares! »
Le silicium, le soufre et l'argon dans la star n'étaient pas toujours présents. Ces éléments ont été créés via une nucléosynthèse à l'intérieur de l'étoile à l'approche de la fin de sa 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. »
Cette question est au cœur de cette découverte. SN 2021YFJ est-il un nouveau type de supernova défini par un nouveau processus puissant qui l'a dépouillé de ses couches extérieures? Certaines des explications que l'équipe envisage sont des interactions avec une étoile compagnon, des vents stellaires inhabituels et extrêmement puissants, et une éruption massive qui a précédé l'explosion de la supernova.
« Les étoiles massives peuvent perdre une quantité substantielle de leur masse de naissance à travers des vents stellaires, des éruptions et une interaction avec une étoile compagnon », écrivent les chercheurs dans leur article. La présence d'hélium dans le matériau circonsellaire de cette étoile est déroutante, car l'hélium est généralement éjecté plus tôt dans le processus SN. « Étant donné que les étoiles massives ont tendance à vivre dans des systèmes binaires, il n'est peut-être pas trop peu susceptible d'avoir un compagnon d'étoile d'hélium avec un vent fort », écrivent-ils. Cela pourrait expliquer l'hélium.
Les chercheurs pensent que l'explication la plus probable est que cette étoile massive s'est simplement déchirée. Les noyaux stellaires d'étoiles massifs sont sous une pression gravitationnelle intense qui augmente leurs températures centrales jusqu'à ce que la fusion nucléaire soit rallumée, générant une explosion puissante. L'explosion explose les couches extérieures de l'étoile. Le processus est répétitif et chaque fois qu'il se produit, plus de matériel est éjecté jusqu'à ce que le noyau plus profond soit visible.
Les supernovae sont classées selon la spectroscopie et les classifications sont centrées sur l'hydrogène. Le type 1 montre l'hélium mais aucun hydrogène et type 2 ne montrent de l'hydrogène. Ensuite, il y a des sous-types sous chacune de ces classifications basées sur d'autres lignes spectrales. La séquence de sous-types marqués reflète la quantité de décapage dans les étoiles progénitrices.
« Nos observations … suggèrent que SN 2021YFJ est en effet le premier exemple de type IEN SN », écrivent les chercheurs dans leur article. Il s'agit d'un nouveau type qui manque de lignes de l'hydrogène ou de l'hélium, et est plutôt dominé par des lignes d'émission de silicium, de soufre et d'argon hautement ionisés.
Puisqu'il n'y a qu'un seul exemple de ce type, il y a encore de nombreuses questions. Comme c'est souvent le cas dans l'astronomie, un ensemble de données plus large mènera probablement à certaines réponses.
« 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 qu'il est correct, car nous n'avons toujours qu'un exemple découvert. Nous ne comprenons toujours pas pleinement comment la nature a créé cette explosion particulière. Cette étoile souligne la nécessité de découvrir davantage de ces rares supernovae, afin que nous puissions continuer de les étudier. »
