Les astronomes soupçonnent depuis longtemps que les étoiles massives deviennent des supergéantes rouges à la fin de leur vie, hoquetent quelques fois puis explosent en une supernova classique visible à travers l’univers. Mais personne n’avait jamais vu ce scénario se dérouler dans une seule étoile.
Aujourd’hui, grâce aux observations coordonnées de nombreux télescopes terrestres et spatiaux, les astronomes ont enregistré une telle séquence pour une étoile à environ 120 millions d’années-lumière de la Terre et, avant qu’elle ne s’effondre et n’explose, environ 10 fois la masse du soleil.
« C’est comme regarder une bombe à retardement », a déclaré l’auteur principal Raffaella Margutti, professeur agrégé d’astronomie et de physique à l’UC Berkeley. « Nous n’avons jamais confirmé une activité aussi violente dans une étoile supergéante rouge mourante, où nous la voyons produire une émission si lumineuse, puis s’effondrer et brûler, jusqu’à présent. »
Bien que la lumière de l’explosion ait probablement atteint la Terre pour la première fois le 6 septembre 2020, les astronomes n’ont été alertés de la supernova, SN 2020tlf, que le 16 septembre. Des équipes du monde entier ont rapidement commencé à l’observer dans de nombreuses longueurs d’onde, de X- rayon à radio, en utilisant une variété de télescopes.
L’observatoire WM Keck au sommet de Maunakea, le plus grand volcan de l’île d’Hawaï, a été le premier à obtenir un spectre de l’explosion, mais Margutti et ses collègues ont également utilisé d’autres observations à plusieurs longueurs d’onde pour analyser l’explosion. Ils ont ensuite associé la supernova, de type II, à une étoile supergéante rouge qui avait été observée quelques mois plus tôt en train de s’éclaircir rapidement par Pan-STARRS, un télescope exploité par l’Institut d’astronomie de l’Université d’Hawaï sur Haleakalā, le seul volcan actif sur Maui.
Image Pan-STARRS de la supernova SN 2020tlf dans les confins de la galaxie NGC 5731, qui se trouve à environ 120 millions d’années-lumière de la Terre. La supernova est le point lumineux situé en bas à gauche du bulbe central brillant de la galaxie.
L’augmentation de la luminosité au cours des derniers mois avant l’explosion de l’étoile suggère qu’avant de s’effondrer, au moins certaines, et peut-être la plupart, de ces supergéantes rouges subissent des changements importants dans leur structure interne qui entraînent une éjection tumultueuse de gaz. Les chercheurs estiment que l’étoile supergéante rouge avait gonflé à une taille qui, dans notre système solaire, atteindrait l’orbite de Jupiter.
« Il s’agit d’une percée dans notre compréhension de ce que font les étoiles massives quelques instants avant de mourir », a déclaré Wynn Jacobson-Galán, étudiante diplômée et auteure principale de l’UC Berkeley. « La détection directe de l’activité pré-supernova dans une étoile supergéante rouge n’a jamais été observée auparavant dans une supernova ordinaire de type II. Pour la première fois, nous avons vu une étoile supergéante rouge exploser.
Les détails de la découverte ont été publié dans le numéro de Le Journal d’Astrophysique.
Les supernovae de type II se produisent vraisemblablement lorsque de vieilles étoiles massives épuisent leur carburant et s’effondrent, générant une puissante explosion qui laisse derrière elle un objet dense – soit une étoile à neutrons, soit un trou noir – au centre. Avant la découverte de cette supernova dans une galaxie connue sous le nom de NGC 5731, les progéniteurs supergéants rouges des supernovae de type II semblaient être silencieux, ne montrant aucune preuve d’éruptions violentes ou d’émission lumineuse avant d’exploser.
Margutti, Jacobson-Galán et leurs collègues soupçonnent que cela peut être dû au fait que les explosions stellaires sont faibles. Ils s’attendent à détecter davantage de telles explosions avant l’explosion lorsque de nouveaux télescopes plus puissants, tels que le télescope Vera Rubin au Chili, auquel Margutti est affilié, seront mis en service.
Les chercheurs suggèrent qu’avant l’explosion ultime de l’étoile, la matière gazeuse qu’elle a expulsée – qui peut avoir contenu jusqu’à un dixième de la masse de la supergéante rouge – pourrait provenir de réactions nucléaires à l’intérieur de l’étoile qui se sont produites après qu’elle ait tout épuisé si son combustible initial d’hydrogène et d’hélium. Les étoiles fusionnent des éléments plus légers en éléments plus lourds, générant de l’énergie, mais à des stades avancés, l’énergie de la fusion diminue et s’arrête finalement, permettant aux étoiles de s’effondrer sur elles-mêmes à cause de la gravité.
Des modèles de réactions nucléaires à l’intérieur d’étoiles aussi massives suggèrent que des éclairs soudains de fusion de néon et d’oxygène pourraient générer des ondes gravitationnelles qui soufflent sur certaines des régions externes de l’étoile. Alternativement, un flash de silicium – la brève et dernière étape de fusion avant l’effondrement stellaire – aurait pu faire de même.
Vue d’artiste d’une supergéante rouge dans la dernière année de sa vie émettant un énorme nuage de gaz. De nouvelles observations suggèrent qu’au moins certaines de ces étoiles gonflées subissent des changements internes tumultueux avant d’exploser dans une supernova. Voir l’animation. Crédit image : Observatoire WM Keck/Adam Makarenko
Les explosions ont été enregistrées pour la première fois environ 130 jours avant l’explosion par la Young Supernova Experiment (YSE), une enquête sur les télescopes Pan-Starrs qui scanne automatiquement les données des télescopes pour les objets à éclaircissement rapide. Les observations après la supernova ont confirmé la présence de matière autour de l’étoile. La découverte de l’équipe signifie que des enquêtes transitoires comme YSE peuvent rechercher le rayonnement lumineux provenant des supergéantes rouges et aider à rassembler plus de preuves qu’un tel comportement pourrait signaler la disparition imminente d’une supernova d’une étoile massive.
« Je suis très excité par toutes les nouvelles inconnues qui ont été débloquées par cette découverte », a déclaré Jacobson-Galán. « Détecter plus d’événements comme SN 2020tlf aura un impact considérable sur la façon dont nous définissons les derniers mois de l’évolution stellaire, unissant les observateurs et les théoriciens dans la quête pour résoudre le mystère sur la façon dont les étoiles massives passent les derniers instants de leur vie. »
La source: UC Berkeley
