Le télescope spatial James Webb a identifié la première preuve directe de la présence d'une étoile à neutrons dans les restes de la supernova SN 1987A, fournissant ainsi des informations cruciales sur le cycle de vie des étoiles massives et la nature des explosions cosmiques. Crédit : TVH, JWST/NIRSpec, J. Larsson
Les astronomes détectent un objet compact recherché depuis longtemps dans les restes de Supernova 1987A
En février 1987, la supernova la plus proche de la Terre depuis près de 400 ans a explosé. Désignée Supernova 1987A (SN 1987A), elle résulte de la mort d'une étoile massive dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie naine située à 160 000 années-lumière. Au cours des décennies qui ont suivi, ses restes ont été étudiés par des télescopes à toutes les longueurs d'onde de la lumière, des rayons X à la radio. Pourtant, malgré tous les examens minutieux, un mystère demeure.
La théorie prédisait que l'explosion stellaire aurait dû produire soit un étoile à neutrons ou un trou noir. Les preuves d’un objet aussi compact ont longtemps été recherchées, sans succès. Maintenant, de nouvelles observations de NASAc'est Télescope spatial James Webb ont fourni la première preuve directe de ce qui est probablement une étoile à neutrons, révélée par les effets de son émission à haute énergie.
Le télescope spatial James Webb a observé la meilleure preuve à ce jour de l'émission d'une étoile à neutrons sur le site d'une supernova bien connue et récemment observée connue sous le nom de SN 1987A. À gauche se trouve une image NIRCam (Near-Infrared Camera) publiée en 2023. L'image en haut à droite montre la lumière de l'argon mono-ionisé (Argon II) capturée par le mode spectrographe à résolution moyenne (MRS) du MIRI (Infrared moyen). L'image en bas à droite montre la lumière de l'argon multi-ionisé capturée par le NIRSpec (spectrographe proche infrarouge). Les deux instruments montrent un signal fort provenant du centre du reste de la supernova. Cela a indiqué à l’équipe scientifique qu’il existe là une source de rayonnement de haute énergie, très probablement une étoile à neutrons. Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Claes Fransson (Université de Stockholm), Mikako Matsuura (Université de Cardiff), M. Barlow (UCL), Patrick Kavanagh (Université de Maynooth), Josefin Larsson (KTH)
Webb trouve des preuves de l'existence d'une étoile à neutrons au cœur d'un jeune reste de supernova
Le télescope spatial James Webb de la NASA a trouvé la meilleure preuve à ce jour de l'émission d'une étoile à neutrons sur le site d'une supernova récemment observée. La supernova, connue sous le nom de SN 1987A, était une supernova à effondrement du cœur, ce qui signifie que les restes compactés en son cœur formaient soit une étoile à neutrons, soit un trou noir. Les preuves d'un objet aussi compact sont recherchées depuis longtemps, et bien que des preuves indirectes de la présence d'une étoile à neutrons aient déjà été trouvées, c'est la première fois que les effets de l'émission à haute énergie de la probable jeune étoile à neutrons sont détectés.
Les supernovae – l’agonie explosive de certaines étoiles massives – explosent en quelques heures et la luminosité de l’explosion culmine en quelques mois. Les restes de l’étoile explosive continueront d’évoluer à un rythme rapide au cours des décennies suivantes, offrant aux astronomes une rare opportunité d’étudier un processus astronomique clé en temps réel.
Supernova 1987A
La supernova SN 1987A s'est produite à 160 000 années-lumière de la Terre dans le Grand Nuage de Magellan. Il a été observé pour la première fois sur Terre en février 1987 et sa luminosité a culminé en mai de la même année. C'est la première supernova visible à l'œil nu depuis celle de Kepler en 1604.
Environ deux heures avant la première observation en lumière visible de SN 1987A, trois observatoires à travers le monde ont détecté une explosion de neutrinos ne durant que quelques secondes. Les deux différents types d’observations étaient liés au même événement de supernova et ont fourni des preuves importantes pour éclairer la théorie sur la manière dont les supernovae s’effondrent. Cette théorie supposait que ce type de supernova formerait une étoile à neutrons ou un trou noir. Depuis, les astronomes recherchent des preuves de l’un ou l’autre de ces objets compacts au centre du matériau résiduel en expansion.
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. Crédit Larsson : Télescope spatial Hubble WFPC-3/Télescope spatial James Webb NIRSpec/J. Larsson
Des preuves indirectes de la présence d'une étoile à neutrons au centre du rémanent ont été découvertes au cours des dernières années, et les observations de restes de supernova beaucoup plus anciens, comme la nébuleuse du Crabe, confirment que des étoiles à neutrons se trouvent dans de nombreux restes de supernova. Cependant, aucune preuve directe de la présence d’une étoile à neutrons à la suite de SN 1987A (ou de toute autre explosion récente de supernova) n’avait été observée jusqu’à présent.
Claes Fransson de l'Université de Stockholm, et l'auteur principal de cette étude, a expliqué : « D'après les modèles théoriques de SN 1987A, l'explosion de neutrinos de 10 secondes observée juste avant la supernova impliquait qu'une étoile à neutrons ou un trou noir s'était formé lors de l'explosion. Mais nous n’avons observé aucune signature convaincante d’un tel objet nouveau-né provenant d’une explosion de supernova. Grâce à cet observatoire, nous avons désormais trouvé des preuves directes de l’émission déclenchée par l’objet compact nouveau-né, très probablement une étoile à neutrons.
Observations de Webb sur SN 1987A
Webb a commencé les observations scientifiques en juillet 2022, et les observations Webb à l'origine de ces travaux ont été effectuées le 16 juillet, faisant du reste SN 1987A l'un des premiers objets observés par Webb. L'équipe a utilisé le mode spectrographe à résolution moyenne (MRS) du MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb, que les membres de la même équipe ont contribué à développer. Le MRS est un type d’instrument connu sous le nom d’unité de terrain intégrale (IFU).
Les IFU sont capables d’imager un objet et d’en prendre un spectre en même temps. Un IFU forme un spectre au niveau de chaque pixel, permettant aux observateurs de voir les différences spectroscopiques à travers l'objet. L'analyse du décalage Doppler de chaque spectre permet également d'évaluer la vitesse en chaque position.
L'analyse spectrale des résultats a montré un signal fort dû à l'argon ionisé provenant du centre du matériau éjecté qui entoure le site d'origine de SN 1987A. Des observations ultérieures utilisant l'IFU NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) de Webb à des longueurs d'onde plus courtes ont révélé des éléments chimiques encore plus fortement ionisés, en particulier de l'argon cinq fois ionisé (c'est-à-dire des atomes d'argon qui ont perdu cinq de leurs 18 électrons). De tels ions nécessitent pour se former des photons très énergétiques, et ces photons doivent provenir de quelque part.
« Pour créer ces ions que nous avons observés dans les éjectas, il était clair qu'il devait y avoir une source de rayonnement de haute énergie au centre du reste du SN 1987A », a déclaré Fransson. « Dans cet article, nous discutons de différentes possibilités, constatant que seuls quelques scénarios sont probables, et tous impliquent une étoile à neutrons nouvellement née. »
D'autres observations sont prévues cette année, avec des télescopes Webb et au sol. L’équipe de recherche espère que l’étude en cours apportera plus de clarté sur ce qui se passe exactement au cœur du vestige de SN 1987A. Nous espérons que ces observations stimuleront le développement de modèles plus détaillés, permettant à terme aux astronomes de mieux comprendre non seulement SN 1987A, mais toutes les supernovae à effondrement du noyau.
Ces résultats ont été publiés dans la revue Science.
Pour en savoir plus sur cette découverte, voir JWST découvre une étoile à neutrons dans des débris de supernova historiques.
Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles et sonde les structures et origines mystérieuses de notre univers et la place que nous y occupons. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l'ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.
