Le télescope spatial James Webb de la NASA a disséqué la structure de la nébuleuse du Crabe, aidant ainsi les astronomes à évaluer les principales théories sur les origines du reste de supernova. Grâce aux données collectées par la NIRCam (Near-Infrared Camera) et le MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb, une équipe de scientifiques a pu inspecter de près certains des principaux composants de la nébuleuse du Crabe. Crédit : NASA
De nouvelles données révisent notre vision de cette explosion de supernova inhabituelle.
La nébuleuse du Crabe est un exemple proche des débris laissés par une étoile qui meurt violemment lors d'une explosion de supernova. Cependant, malgré des décennies d'étude, ce vestige de supernova continue de maintenir un certain degré de mystère : quel type d'étoile est responsable de la création de la nébuleuse du Crabe et quelle était la nature de l'explosion ?
NASA's Télescope spatial James Webb a fourni une nouvelle vision du Crabe, notamment des données infrarouges de la plus haute qualité jamais disponibles pour aider les scientifiques à explorer la structure détaillée et la composition chimique du vestige. Ces indices aident à comprendre la manière inhabituelle dont l'étoile a explosé il y a environ 1 000 ans.
Pour la première fois, les astronomes ont cartographié l'émission de poussière chaude dans ce reste de supernova. Représentés comme un matériau magenta pelucheux, les grains de poussière forment une structure en forme de cage qui est plus apparente dans les parties inférieure gauche et supérieure droite du reste. Des filaments de poussière sont également disséminés dans tout l'intérieur du Crabe et coïncident parfois avec des régions de soufre doublement ionisé (soufre III) colorées en vert. Des filaments tachetés de jaune et de blanc, qui forment de grandes structures en forme de boucle autour du centre du reste de supernova, représentent les zones où la poussière et le soufre doublement ionisé se chevauchent.
La structure en forme de cage de la poussière permet de limiter une partie, mais pas la totalité, de l'émission synchrotron fantomatique représentée en bleu. L'émission ressemble à des volutes de fumée, plus visibles vers le centre du Crabe. Les minces rubans bleus suivent les lignes de champ magnétique créées par le cœur du pulsar du Crabe, une étoile à neutrons en rotation rapide.
Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Tea Temim (Université de Princeton)
Enquête sur les origines de la nébuleuse du Crabe avec le télescope spatial Webb
À l'aide du télescope spatial James Webb de la NASA, une équipe de scientifiques a analysé la composition de la nébuleuse du Crabe, un vestige de supernova situé à environ 6 500 années-lumière de la Terre dans la constellation du Taureau. MIRI (Instrument infrarouge moyen) et Caméra NIRCam (Near-Infrared Camera), l'équipe a recueilli des données qui aident à clarifier l'histoire de la nébuleuse du Crabe.
La nébuleuse du Crabe est le résultat d'une supernova résultant de l'effondrement du noyau d'une étoile massive. L'explosion de supernova elle-même a été observée sur Terre en 1054 CE et était suffisamment brillante pour être observée pendant la journée. Le vestige beaucoup plus faible observé aujourd'hui est une coquille de gaz et de poussière en expansion, ainsi qu'un vent sortant alimenté par un pulsar, une étoile à neutrons à rotation rapide et hautement magnétisée.
La nébuleuse du Crabe est également très inhabituelle. Sa composition atypique et sa très faible énergie d'explosion ont été précédemment expliquées par une supernova à capture d'électrons, un type rare d'explosion qui se produit dans une étoile avec un noyau moins évolué composé d'oxygène, de néon et de magnésium, plutôt que d'un noyau de fer plus typique.
« Désormais, les données Webb élargissent les interprétations possibles », a déclaré Tea Temim, auteur principal de l’étude à université de Princeton dans le New Jersey. « La composition du gaz ne nécessite plus une explosion par capture d’électrons, mais pourrait également s’expliquer par une supernova à noyau de fer faible. »
Image de la nébuleuse du Crabe capturée par NIRCam et MIRI de Webb, avec des flèches de boussole, une barre d'échelle et une légende de couleur pour référence.
Les flèches nord et est de la boussole indiquent l'orientation de l'image dans le ciel. Notez que la relation entre le nord et l'est dans le ciel (vu d'en bas) est inversée par rapport aux flèches de direction sur une carte du sol (vu d'en haut).
La barre d'échelle est étiquetée en années-lumière, ce qui correspond à la distance parcourue par la lumière en une année terrestre. (Il faut 2 ans à la lumière pour parcourir une distance égale à la longueur de la barre.) Une année-lumière équivaut à environ 5,88 billions de miles ou 9,46 billions de kilomètres. Le champ de vision représenté sur cette image mesure environ 10 années-lumière.
Cette image montre les longueurs d'onde invisibles de l'infrarouge proche et moyen qui ont été traduites en couleurs de lumière visible. La légende des couleurs indique les composants observés par NIRCam et MIRI, et la couleur de lumière visible attribuée à chaque caractéristique.
Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Tea Temim (Université de Princeton)
Étudier le présent pour comprendre le passé
Les recherches antérieures ont permis de calculer l'énergie cinétique totale de l'explosion en se basant sur la quantité et la vitesse des éjectas actuels. Les astronomes en ont déduit que l'explosion était de nature relativement faible (moins d'un dixième de celle d'une supernova normale) et que la masse de l'étoile progénitrice était de l'ordre de huit à dix masses solaires, oscillant sur la fine ligne séparant les étoiles qui connaissent une mort violente en supernova et celles qui n'en connaissent pas.
Cependant, des incohérences existent entre la théorie de la supernova à capture d'électrons et les observations du Crabe, en particulier le mouvement rapide observé de la pulsarCes dernières années, les astronomes ont également amélioré leur compréhension des supernovae à effondrement de noyau de fer et pensent désormais que ce type peut également produire des explosions de faible énergie, à condition que la masse stellaire soit suffisamment faible.
Les mesures de Webb réconcilient les résultats historiques
Pour réduire le niveau d'incertitude entourant l'étoile progénitrice du Crabe et la nature de l'explosion, l'équipe dirigée par Temim a utilisé les capacités spectroscopiques de Webb pour se concentrer sur deux zones situées dans les filaments internes du Crabe.
Les théories prédisent qu'en raison de la composition chimique différente du noyau d'une supernova à capture d'électrons, le rapport d'abondance du nickel sur le fer (Ni/Fe) devrait être bien plus élevé que celui mesuré dans notre Soleil (qui contient ces éléments provenant des générations précédentes d'étoiles). Des études menées à la fin des années 1980 et au début des années 1990 ont mesuré le rapport Ni/Fe dans le Crabe à l'aide de données optiques et dans le proche infrarouge et ont noté un rapport d'abondance Ni/Fe élevé qui semblait favoriser le scénario d'une supernova à capture d'électrons.
Le télescope Webb, avec ses capacités infrarouges sensibles, fait désormais progresser les recherches sur la nébuleuse du Crabe. L'équipe a utilisé les capacités spectroscopiques du MIRI pour mesurer les lignes d'émission du nickel et du fer, ce qui a permis d'obtenir une estimation plus fiable du rapport d'abondance Ni/Fe. Ils ont découvert que le rapport était toujours élevé par rapport au Soleil, mais seulement modestement et beaucoup plus bas que les estimations précédentes.
Les valeurs révisées sont cohérentes avec la capture d'électrons, mais n'excluent pas une explosion par effondrement du noyau de fer provenant d'une étoile de masse similairement faible. (Les explosions à plus haute énergie provenant d'étoiles de masse plus élevée devraient produire des rapports plus proches des abondances solaires.) D'autres travaux d'observation et théoriques seront nécessaires pour faire la distinction entre ces deux possibilités.
« À l’heure actuelle, les données spectrales de Webb couvrent deux petites régions du Crabe. Il est donc important d’étudier davantage ce vestige et d’identifier les variations spatiales », a déclaré Martin Laming du Naval Research Laboratory de Washington et co-auteur de l’étude. « Il serait intéressant de voir si nous pourrions identifier les lignes d’émission d’autres éléments, comme le cobalt ou le germanium. »
Cartographie de l'état actuel du crabe
En plus d'extraire des données spectrales de deux petites régions de l'intérieur de la nébuleuse du Crabe pour mesurer le rapport d'abondance, le télescope a également observé l'environnement plus large du vestige pour comprendre les détails de l'émission synchrotron et la distribution de la poussière.
Les images et données collectées par MIRI ont permis à l'équipe d'isoler l'émission de poussière au sein du Crabe et de la cartographier en haute résolution pour la première fois. En cartographiant l'émission de poussière chaude avec Webb, et même en la combinant avec les données de l'observatoire spatial Herschel sur les grains de poussière plus froids, l'équipe a créé une image complète de la distribution de la poussière : les filaments les plus extérieurs contiennent de la poussière relativement plus chaude, tandis que les grains plus froids sont prédominants près du centre.
« L’endroit où la poussière est visible dans la nébuleuse du Crabe est intéressant car il diffère des autres restes de supernovae, comme Cassiopée A et Supernova 1987A », a déclaré Nathan Smith de l’observatoire Steward de l’Université d’Arizona et co-auteur de l’étude. « Dans ces objets, la poussière se trouve au centre même. Dans la nébuleuse du Crabe, la poussière se trouve dans les filaments denses de la coquille extérieure. La nébuleuse du Crabe est fidèle à une tradition astronomique : les objets les plus proches, les plus brillants et les mieux étudiés ont tendance à être bizarres. »
Ces résultats ont été publiés dans Le Lettres de revues astrophysiques.
Les observations ont été réalisées dans le cadre du programme General Observer 1714.
Le télescope spatial James Webb (JWST) est un observatoire spatial avancé lancé le 25 décembre 2021. Il sert de successeur scientifique au Le télescope spatial HubbleÉquipé d'un grand miroir primaire de 6,5 mètres et d'instruments spécialisés, le JWST fonctionne principalement dans le spectre infrarouge, ce qui lui permet de regarder plus loin dans le temps et d'observer les premières galaxies qui se sont formées après la Big BangSitué au deuxième point de Lagrange (L2), à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre, il offre une résolution et une sensibilité sans précédent, permettant aux scientifiques d'étudier chaque phase de l'histoire cosmique.
