Des chercheurs ont confirmé l’existence d’une étoile à neutrons au centre de la Supernova 1987A, grâce au télescope spatial James Webb. Cette découverte résout un mystère de longue date et contribue de manière significative à notre compréhension des supernovae et de leur rôle dans le cosmos. Crédit : TVH, JWST/NIRSpec, J. Larsson
La découverte d’un étoile à neutrons dans Supernova 1987A, il éclaire le cycle de vie des étoiles et les origines cosmiques des éléments essentiels.
Une équipe internationale d’astronomes, dont le professeur Mike Barlow de l’UCL (University College de Londres), a découvert la première preuve concluante de l’existence d’une étoile à neutrons au centre de la Supernova 1987A, une explosion d’étoile observée il y a 37 ans.
Le phénomène spectaculaire des supernovae
Les supernovae sont le résultat final spectaculaire de l’effondrement d’étoiles plus massives que 8 à 10 fois la masse du soleil. Ce sont les principales sources d’éléments chimiques (tels que le carbone, l’oxygène, le silicium et le fer) qui rendent la vie possible. Le noyau effondré de ces étoiles explosives peut donner naissance à des étoiles à neutrons beaucoup plus petites, composées de la matière la plus dense de l’univers connu, ou trous noirs.
La supernova 1987A, située dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie naine voisine, était la supernova la plus proche et la plus brillante vue dans le ciel nocturne depuis 400 ans.
Des neutrinos, des particules subatomiques incroyablement petites, ont été produits dans la supernova et détectés sur Terre (23 février 1987) la veille de l’observation de la supernova, indiquant qu’une étoile à neutrons a dû se former. Cependant, on ne sait pas si l’étoile à neutrons a persisté ou s’est effondrée en un trou noircar l’étoile a été obscurcie par la poussière formée après l’explosion.
Combinaison d’une image du télescope spatial Hubble de SN 1987A et de la source d’argon compacte. La source bleu pâle au centre est l’émission de la source compacte détectée avec l’instrument JWST/NIRSpec. À l’extérieur se trouvent les débris stellaires, contenant la majeure partie de la masse, qui s’étendent à des milliers de kilomètres/seconde. Le « collier de perles » brillant 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, expliquant les points lumineux. À l’extérieur de la bague intérieure se trouvent deux bagues extérieures, vraisemblablement produites par le même processus qui a formé la bague intérieure. Les étoiles brillantes à gauche et à droite de l’anneau intérieur n’ont aucun rapport avec la supernova. Crédit : Télescope spatial Hubble WFPC-3/Télescope spatial James Webb NIRSpec/J. Larsson
Résoudre le mystère avec le télescope spatial James Webb
Dans la nouvelle étude, publiée dans la revue Scienceles chercheurs ont utilisé deux instruments du télescope spatial James Webb (JWST), MIRI et NIRSpec, pour observer la supernova aux longueurs d’onde infrarouges et ont trouvé des preuves de la présence d’atomes lourds d’argon et de soufre dont les électrons externes avaient été dépouillés (c’est-à-dire que les atomes avaient été ionisés). près de l’endroit où l’explosion de l’étoile s’est produite.
L’équipe a modélisé divers scénarios et a découvert que ces atomes n’auraient pu être ionisés que par le rayonnement ultraviolet et X d’une étoile à neutrons chaude et refroidie ou, alternativement, par les vents de particules relativistes accélérées par une étoile à neutrons en rotation rapide et interagissant avec matériau de supernova environnant (pulsar nébuleuse du vent).
Si le premier scénario est vrai, la surface de l’étoile à neutrons serait d’environ un million de degrés, après s’être refroidie d’environ 100 milliards de degrés au moment de sa formation au cœur de l’effondrement plus de 30 ans plus tôt.
Preuve directe du cœur de la nébuleuse
Le professeur co-auteur Mike Barlow (UCL Physics & Astronomy) a déclaré : « Notre détection avec les spectromètres MIRI et NIRSpec de James Webb de fortes raies d’émission d’argon et de soufre ionisées depuis le centre même de la nébuleuse qui entoure Supernova 1987A est une preuve directe de la présence de une source centrale de rayonnements ionisants. Nos données ne peuvent être associées qu’à une étoile à neutrons comme source d’énergie de ce rayonnement ionisant.
« Ce rayonnement peut être émis depuis la surface d’un million de degrés de l’étoile à neutrons chaude, ainsi que par une nébuleuse de vent pulsar qui aurait pu être créée si l’étoile à neutrons tournait rapidement et entraînait des particules chargées autour d’elle.
« Le mystère de savoir si une étoile à neutrons se cache dans la poussière dure depuis plus de 30 ans et il est passionnant que nous l’ayons résolu.
« Les supernovae sont les principales sources d’éléments chimiques qui rendent la vie possible – c’est pourquoi nous voulons que nos modèles soient corrects. Il n’existe aucun autre objet comme l’étoile à neutrons de la Supernova 1987A, si proche de nous et s’étant formée si récemment. Parce que le matériau qui l’entoure s’étend, nous en verrons davantage au fil du temps.
La réaction de la communauté scientifique
Le professeur Claes Fransson (Université de Stockholm, Suède), auteur principal de l’étude, a déclaré : « 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 que y a été créé.
« Nous savons maintenant qu’il existe une source compacte de rayonnement ionisant, probablement une étoile à neutrons. Nous recherchions cela depuis l’explosion, mais nous avons dû attendre que JWST puisse vérifier les prédictions. »
Le Dr Patrick Kavanagh (Université de Maynooth, Irlande), un autre auteur de l’étude, a déclaré : « C’était tellement excitant de regarder pour la première fois les observations JWST de SN 1987A. Alors que nous vérifiions les données MIRI et NIRSpec, l’émission très brillante d’argon au centre de SN 1987A est apparue. Nous avons tout de suite su qu’il s’agissait de quelque chose de spécial qui pourrait enfin répondre à la question sur la nature de l’objet compact. »
Le professeur Josefin Larsson (Institut royal de technologie (KTH), Suède), co-auteur de l’étude, a déclaré : « Cette supernova ne cesse de nous offrir des surprises. Personne n’avait prédit que l’objet compact serait détecté grâce à une raie d’émission très puissante provenant de l’argon, c’est donc plutôt amusant que ce soit ainsi que nous l’ayons trouvé dans le JWST.
Les modèles indiquent que les atomes lourds d’argon et de soufre sont produits en grande abondance en raison de la nucléosynthèse à l’intérieur des étoiles massives juste avant leur explosion.
Alors que la majeure partie de la masse de l’étoile en explosion s’étend désormais jusqu’à 10 000 km/seconde et est répartie sur un grand volume, les atomes d’argon et de soufre ionisés ont été observés à proximité du centre où l’explosion s’est produite.
Le rayonnement ultraviolet et les rayons X qui auraient ionisé les atomes ont été prédits en 1992 comme une signature unique d’une étoile à neutrons nouvellement créée.
Ces atomes ionisés ont été détectés par les instruments MIRI et NIRSpec de James Webb à l’aide d’une technique appelée spectroscopie, dans laquelle la lumière est dispersée dans un spectre, permettant aux astronomes de mesurer la lumière à différentes longueurs d’onde afin de déterminer les propriétés physiques d’un objet, y compris sa composition chimique.
Une équipe de l’UCL du Mullard Space Science Laboratory a conçu et construit la source d’étalonnage de NIRSpec, qui permet à l’instrument d’effectuer des mesures plus précises en fournissant un éclairage de référence uniforme de ses détecteurs.
La nouvelle étude a impliqué des chercheurs du Royaume-Uni, d’Irlande, de Suède, de France, d’Allemagne, des États-Unis, des Pays-Bas, de Belgique, de Suisse, d’Autriche, d’Espagne et du Danemark.
À propos de Supernova (SN) 1987A
SN 1987A est la supernova la plus étudiée et la mieux observée de toutes.
Explosant le 23 février 1987 dans le Grand Nuage de Magellan dans le ciel austral à une distance de 160 000 années-lumière, elle fut la supernova la plus proche depuis la dernière supernova observée à l’œil nu par Johannes Kepler en 1604. Pendant plusieurs mois avant de disparaître SN 1987A pouvait être vu à l’œil nu même à cette distance.
Plus important encore, c’est la seule supernova à avoir été détectée grâce à ses neutrinos. Ceci est très significatif puisque 99,9 % de l’énorme énergie émise lors de cet événement devait être perdue sous forme de particules interagissant extrêmement faiblement.
Les 0,1 % restants apparaissent dans l’énergie d’expansion du reste et sous forme de lumière. Sur le nombre considérable (environ 10 à la puissance 58) de neutrinos émis, une vingtaine ont été détectés par trois détecteurs différents autour de la Terre, depuis l’effondrement au cœur de l’étoile le 23 février à 7h35’35 » TU.
SN 1987A a également été la première supernova où l’étoile qui a explosé a pu être identifiée à partir d’images prises avant l’explosion. Outre les neutrinos, le résultat le plus intéressant de l’effondrement et de l’explosion est la prédiction de la création d’un trou noir ou d’une étoile à neutrons. Celui-ci ne constitue que le noyau central de l’étoile effondrée, d’une masse 1,5 fois supérieure à celle du Soleil. Le reste est expulsé à une vitesse pouvant atteindre 10 % de la vitesse de la lumière, formant le reste en expansion que nous observons directement aujourd’hui.
La « longue » durée de 10 secondes de l’explosion de neutrinos indiquait la formation d’une étoile à neutrons, mais malgré plusieurs indications intéressantes provenant d’observations radio et rayons X, aucune preuve concluante d’un objet compact n’avait été trouvée jusqu’à présent, et c’était la principale problème restant non résolu pour SN 1987A.
Une raison importante à cela pourrait être la grande masse de particules de poussière qui, comme nous le savons, s’est formée au cours des années qui ont suivi l’explosion. Cette poussière pourrait bloquer la majeure partie de la lumière visible du centre et donc cacher l’objet compact aux longueurs d’onde visibles.
Deux scénarios d’étoile à neutrons
Dans leur étude, les auteurs discutent de deux possibilités principales : soit le rayonnement de l’étoile à neutrons nouvellement née, chaude et à un million de degrés, soit le rayonnement de particules énergétiques accélérées dans le champ magnétique puissant de l’étoile à neutrons en rotation rapide (pulsar). C’est le même mécanisme qui opère dans la célèbre nébuleuse du Crabe avec son pulsar au centre, qui est le vestige de la supernova observée par les astronomes chinois en 1054.
Les modèles de ces deux scénarios aboutissent à des prédictions similaires pour le spectre, qui concordent bien avec les observations, mais sont difficiles à distinguer. D’autres observations avec le JWST et les télescopes au sol en lumière visible, ainsi que le Le télescope spatial Hubblepourra peut-être distinguer ces modèles.
Dans les deux cas, ces nouvelles observations avec JWST fournissent des preuves irréfutables de la présence d’un objet compact, très probablement une étoile à neutrons, au centre de SN 1987A.
En résumé, ces nouvelles observations de JWST, ainsi que les observations précédentes du progéniteur et des neutrinos, fournissent une image complète de cet objet unique.
