Les scientifiques peuvent enfin montrer qu’une étoile à neutrons s’est formée à partir de notre supernova la mieux étudiée, SN 1987A. Cette percée a été rendue possible grâce au télescope James Webb.
Combinaison d’une image Hubble de SN 1987A et d’une source compacte d’argon hautement ionisée. La source bleue pâle au centre a été détectée avec l’instrument NIRSpec sur JWST. En dehors de cela se trouve le reste de la supernova, qui contient le plus de masse et est en expansion. Le « collier de perles » brillant à l’intérieur est constitué de gaz provenant des couches externes de l’étoile qui a été éjecté environ 20 000 ans avant l’explosion. La collision entre le reste de la supernova en expansion rapide et l’anneau donne naissance à des amas chauffés dans l’anneau. À l’extérieur de l’anneau intérieur se trouvent deux anneaux extérieurs, qui sont probablement apparus en même temps que la formation de l’anneau intérieur. (Illustration : TVH, JWST/NIRSpec, J. Larsson)
Les supernovae sont le résultat final spectaculaire de l’effondrement d’étoiles dont la masse est huit à dix fois supérieure à celle du Soleil. En plus d’être les sources les plus importantes d’éléments chimiques tels que le carbone, l’oxygène, le silicium et le fer, indispensables à la vie, les supernovae peuvent également créer les objets les plus extrêmes de l’univers : étoiles à neutrons et trous noirs.
En 1987, la supernova 1987A (SN 1987A) a explosé dans le Grand Nuage de Magellan, situé près de la Voie Lactée. C’était la première fois en quatre siècles qu’une supernova devenait visible à l’œil nu, offrant ainsi aux astronomes un gros plan sans précédent d’une explosion de supernova. Bien que SN 1987A soit l’un des objets du ciel les plus étudiés, la question de savoir ce qui est resté après l’explosion reste sans réponse. Était-ce une étoile à neutrons compacte ou un trou noir ? La détection des neutrinos produits dans la supernova a indiqué qu’une étoile à neutrons supercompacte aurait dû se former au centre de SN 1987A. Mais même après trois décennies et demie d’observations intensives avec les meilleurs télescopes, aucune preuve concluante de l’existence d’une telle étoile à neutrons n’a encore été trouvée.
Signaux d’étoiles à neutrons détectés
Dans une étude publiée le 22 février 2024 dans la revue Science, une équipe internationale d’astronomes annonce avoir détecté des signaux provenant d’une étoile à neutrons provenant du centre de la nébuleuse autour de SN 1987A. À l’aide du télescope James Webb (JWST), les auteurs ont pu observer des raies spectrales créées soit à partir de l’étoile à neutrons chaude, soit à partir d’une nébuleuse du vent pulsar autour de l’étoile à neutrons.
Claes Fransson
– Grâce à la résolution fantastique et aux nouveaux instruments du JWST, nous avons pu examiner pour la première fois le centre de la supernova et ce qui a été créé après l’explosion. Nous savons désormais qu’il existe là une source compacte de rayonnements ionisants, qui est probablement une étoile à neutrons. Cela avait été prédit par les modèles d’explosion et nous avons fait des simulations en 1992 qui indiquaient comment observer cela, mais ce n’est qu’avec JWST que cela est devenu possible. Cependant, les détails ont offert plusieurs surprises, explique Claes Fransson, professeur au Département d’astronomie de l’Université de Stockholm et du Centre Oskar Klein et auteur principal de l’étude.
– C’est la dernière d’une série de surprises que cette supernova a offertes au fil des années. Il était inattendu que l’objet compact soit finalement détecté grâce à une très forte raie d’argon, c’était donc un peu amusant que cela se passe ainsi, explique Josefin Larsson, professeur au Département de physique, KTH et Oskar Klein Center and co. -auteur de l’étude.
Lire l’article dans Science : Lignes d’émission dues aux rayonnements ionisants d’un objet compact dans les restes de Supernova 1987A DOI : 10.1126/science.adj5796
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Supernova (SN) 1987A – la supernova la plus étudiée
L’étoile du Grand Nuage de Magellan avant l’explosion du 23 février 1987 (à droite) et immédiatement après l’explosion (à gauche). L’image illustre l’énorme augmentation de la luminosité de la supernova. Crédit : David Malin Télescope Anglo Australian.
SN 1987A est la supernova la plus étudiée et la mieux observée de toutes et revêt donc une importance particulière pour la compréhension de ces objets. Supernova explosant le 23 février 1987 dans le Grand Nuage de Magellan dans le ciel austral à une distance de 160 000 années-lumière. Il s’agit de l’explosion de supernova la plus proche depuis celle observée par Johannes Kepler en 1604. Pendant plusieurs mois, il a été possible d’observer SN 1987A à l’œil nu.
SN 1987A est la seule supernova observée via ses neutrinos (particules presque sans masse avec une interaction extrêmement faible avec d’autres matières). C’était important car il était prévu que 99,9 % de l’énorme énergie libérée lors de cet événement serait perdue dans ces particules. Les 0,1 pour cent restants ont été renvoyés sous forme de lumière et d’énergie cinétique. Sur le grand nombre (environ 1 058) de neutrinos émis, une vingtaine ont été détectés par trois détecteurs différents répartis autour de la Terre. SN 1987A a également été la première supernova dans laquelle l’étoile explosive a pu être identifiée à partir d’images prises avant l’explosion (Fig. 4). Cela a permis de déterminer la masse de l’étoile, ce qui correspondait bien aux modèles théoriques.
Un trou noir ou une étoile à neutrons a été créé
Rangée du haut. Gauche. Image Argon II avec MIRI/MRS à la vitesse de l’objet compact. Au milieu : image correspondante à la vitesse de l’anneau. À droite : la première image soustraite à la deuxième image, montrant comment l’objet compact domine le centre. Rangée du bas : Même chose pour l’argon hautement ionisé avec l’instrument NIRSpec.
Outre les neutrinos, la conséquence la plus intéressante de l’explosion est la prédiction de son effondrement en trou noir ou en étoile à neutrons. Ce reste compact a été créé par l’effondrement du noyau de l’étoile et a une masse environ 1,5 fois celle du Soleil. La masse restante a été repoussée jusqu’à 10 % de la vitesse de la lumière, formant le reste en expansion que nous pouvons observer aujourd’hui.
Les astronomes étudiant SN 1987A soupçonnaient qu’une étoile à neutrons s’était formée après l’explosion. L’indication principale provenait de la durée de l’impulsion du neutrino, qui était de 10 secondes. Mais malgré d’autres indications provenant d’observations radio et de rayons X, aucune preuve concluante de l’existence d’une étoile à neutrons n’a été trouvée jusqu’à présent. Une raison importante est la grande quantité de poussière qui s’est formée au cours des années qui ont suivi l’explosion. Cette poussière peut bloquer la majeure partie de la lumière visible provenant du centre, obscurcissant ainsi l’objet compact aux longueurs d’onde visibles. L’identification du produit final de l’explosion était le principal problème non résolu pour SN 1987A.
Le télescope James Webb a rendu des percées possibles
Le télescope spatial James Webb peut observer la lumière dans les longueurs d’onde infrarouges, qui peuvent voyager plus facilement à travers la poussière qui bloque la lumière visible. Une équipe internationale d’astronomes a étudié SN 1987A à l’aide de deux des instruments du télescope, MIRI* et NIRSpec. Ils ont ensuite vu une source ponctuelle au centre du reste répandu de la supernova, émettant de la lumière provenant d’ions argon et soufre. Grâce à la résolution de JWST et à la capacité de ses instruments à déterminer avec précision la vitesse de la source émettrice, nous savons que cette source ponctuelle est très proche du centre de l’explosion de la supernova.
Alors que la majeure partie de la masse de l’étoile qui explose s’étend jusqu’à 10 000 km/seconde et s’est donc répartie sur un grand volume, la source observée est toujours proche du site de l’explosion. C’est ce que les astronomes attendent du reste compact après l’explosion. Les raies spectrales observées de l’argon et du soufre proviennent d’atomes ionisés, nécessitant des photons de haute énergie de la part de l’objet compact. La manière dont cela peut se produire suite au rayonnement ultraviolet et aux rayons X d’une étoile à neutrons avait déjà été prédite en 1992 par Roger Chevalier (Université de Virginie) et Claes Fransson.
Deux explications possibles
Les scientifiques ne voient pas directement l’étoile à neutrons. Au lieu de cela, ils déduisent son existence en observant comment son rayonnement affecte son environnement. Dans leur étude, les auteurs discutent de deux explications principales pour les raies spectrales observées. Ils peuvent avoir été créés en raison du rayonnement soit de l’étoile à neutrons chaude et nouveau-née, qui a une température de surface de plus d’un million de degrés, soit de particules énergétiques accélérées dans le champ magnétique puissant de l’étoile à neutrons en rotation rapide (qui est également appelé pulsar). . C’est le même mécanisme qui se déroule autour du pulsar au centre de la célèbre nébuleuse du Crabe, vestige d’une supernova observée par les astronomes chinois en 1054.
Ces deux modèles explicatifs aboutissent à des prédictions similaires sur le type de raies spectrales créées. Pour distinguer ces deux modèles, d’autres observations avec JWST et des télescopes au sol en lumière visible, ainsi qu’avec le télescope Hubble, sont donc nécessaires. Quoi qu’il en soit, les nouvelles observations du JWST fournissent des preuves irréfutables de l’existence d’un objet compact, probablement une étoile à neutrons, au centre de SN 1987A. Le rayon d’une telle étoile à neutrons est d’environ 10 km, ce qui signifie que la densité est aussi grande que dans un noyau atomique. Un millimètre cube de cette matière stellaire pèse à peu près autant qu’un superpétrolier !
En résumé, les nouvelles observations du JWST, ainsi que les observations précédentes de l’étoile qui explose et des neutrinos créés lors de l’explosion, fournissent une image complète de cet objet unique.
L’équipe à l’origine de ces résultats est composée de 34 auteurs issus de 12 pays différents d’Europe et des États-Unis. Le premier auteur est Claes Fransson, professeur au Département d’astronomie de l’Université de Stockholm et au Centre Oskar Klein.
* MIRI est un instrument que des chercheurs de l’Université de Stockholm ont contribué à développer. En savoir plus
Dernière mise à jour : 22 février 2024
Chef de chantier : Service communication
2024-02-22 22:05:59
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