Les trous noirs et les étoiles à neutrons sont enfin liés aux supernovae

Tout le monde sait que la mort explosive d’étoiles supermassives (appelées supernovae) conduit à la création de trous noirs ou d’étoiles à neutrons, n’est-ce pas ? C’est du moins le chemin évolutif suggéré par les astronomes. Et ces objets compacts existent dans tout l’Univers. Mais personne n’a jamais vu le processus de naissance d’une étoile à neutrons ou d’un trou noir en action auparavant.

Cela a changé lorsque la supernova SN 2022jli s’est produite dans la galaxie voisine NGC 157. Cet événement catastrophique de mort stellaire a été découvert en mai 2022 par l’astronome amateur Berto Monard. Son comportement a rapidement attiré l’attention de deux équipes d’astronomes professionnels. Les observations du Very Large Telescope et du New Technology Telescope de l’Observatoire européen austral ont fourni des mesures de courbe de lumière de haute qualité ainsi que d’autres données. Ces mesures et rayonnements ont montré quelque chose d’inhabituel, pas comme une supernova « normale ».

Focus sur la supernova

Les astronomes Ping Chan de l’Institut des sciences Weizmann en Israël et Thomas Moore de l’Université Queen’s de Belfast, en Irlande du Nord, ont chacun dirigé des équipes qui ont étudié le comportement étrange de cette supernova. Leur analyse a montré que l’explosion de la supernova a fini par créer un objet massif et compact. C’était assez excitant car jusqu’à présent, personne n’avait observé le processus se dérouler en (presque) temps réel. Cela fait de la courbe de lumière une fenêtre utile sur la création d’une étoile à neutrons ou d’un trou noir.

L’équipe de Chan voulait établir un lien direct entre la mort d’une étoile supergéante massive et la création de l’objet. “Dans notre travail, nous établissons un lien direct”, a déclaré Chan et a rendu compte de ses travaux lors de la récente réunion de l’American Astronomical Society.

L’équipe de Moore a également été intriguée par la courbe de lumière de cet événement. “Dans les données de SN 2022jli, nous voyons une séquence répétée d’éclaircissement et de décoloration”, a-t-il déclaré. “C’est la première fois que des oscillations périodiques répétées, sur plusieurs cycles, sont détectées dans une courbe de lumière de supernova.”

Trouver le chaînon manquant entre les supernovae, les trous noirs et les étoiles à neutrons

Les supernovae se produisent assez fréquemment dans l’Univers. Les astronomes les étudient et suivent l’évolution de leur luminosité au fil du temps. Après l’explosion initiale, la lumière qu’elle génère s’éteint au bout d’un certain temps. Habituellement, il s’agit d’un changement assez fluide dans la courbe de lumière. Mais le SN 2022jli ne correspondait pas à la courbe « normale », pour ainsi dire. Au lieu de s’estomper progressivement, la luminosité de la lumière de l’explosion a oscillé sur une période de 12 jours. Les deux équipes ont remarqué cette oscillation et le groupe de Chan a également détecté les mouvements de l’hydrogène gazeux et des sursauts gamma dans la région.

Quelle histoire nous raconte l’étrange courbe de lumière de SN 2022jli sur la création de trous noirs ou d’étoiles à neutrons ? Commençons par l’explosion elle-même. C’était un bel exemple de ce que les astronomes appellent les « supernovae de type II ». Fondamentalement, à la fin de sa vie, une étoile supermassive s’effondre puis explose vers l’extérieur. Le noyau restant s’effondre davantage pour créer l’un des deux types d’objets massifs. Une étoile à neutrons en est une. C’est ce qui reste après l’effondrement rapide du noyau de l’étoile, qui a écrasé les protons et les neutrons restants de la matière en neutrons. C’est essentiellement une boule de neutrons. La plupart des étoiles à neutrons ont à l’intérieur d’elles une masse équivalente à celle du Soleil. Mais ils sont petits, vraiment petits, comparés à leurs étoiles progénitrices. La plupart mesurent peut-être une vingtaine de kilomètres de diamètre.

Les trous noirs de masse stellaire proviennent également de la mort d’étoiles supermassives qui avaient au moins 20 fois la masse du Soleil ou plus. Le noyau s’effondre pendant l’événement, comme dans le cas d’une étoile à neutrons. Mais la masse est si grande que l’événement crée un trou noir, écrasant tout le matériau restant du noyau en un point de matière dense.

Établir le lien entre les supernovae et les objets massifs compacts

Toutes les données des observations ont aidé les deux équipes à suggérer le scénario suivant. Comme beaucoup d’étoiles massives, l’ancêtre de SN 2022jli semble avoir eu au moins une étoile compagne. Il a probablement survécu à l’explosion de la supernova. L’explosion a projeté d’énormes quantités de matière et la star compagnon a interagi avec elle. Cela a fait « gonfler » son atmosphère. L’objet compact nouvellement créé traverse l’orbite de l’étoile et aspire l’hydrogène gazeux de l’étoile. Ce matériau s’entonne dans un disque d’accrétion autour de l’objet compact. Ces épisodes périodiques de vol de matière sur l’étoile libèrent beaucoup d’énergie, qui est captée sous forme de changements réguliers de luminosité dans les mesures de la courbe de lumière ainsi que dans les signaux de rayons gamma.

Bien sûr, nous ne pouvons pas voir la lumière provenant de l’objet compact lui-même, qu’il s’agisse d’une étoile à neutrons ou d’un trou noir. Mais nous voyons le rayonnement du matériau chauffé attiré dans le disque d’accrétion autour de l’objet compact. Et puisque les astronomes étaient capables de suivre les changements dans la courbe de lumière dus à l’activité de l’objet massif, cela revenait à observer sa formation. “Notre recherche revient à résoudre un casse-tête en rassemblant toutes les preuves possibles”, a déclaré Chen à propos des résultats. “Toutes ces pièces qui s’alignent mènent à la vérité.”

La prochaine étape consiste à déterminer exactement ce que les astronomes ont vu se former. Était-ce une étoile à neutrons avec des champs magnétiques et une gravité extrêmement puissants, ou un trou noir avec une gravité si forte que rien (pas même la lumière) ne pouvait y échapper ? Pour déterminer cela, il faut des observations supplémentaires et les capacités de télescopes qui ne sont pas encore en ligne, comme l’Extremely Large Telescope qui devrait commencer ses opérations dans quelques années.

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