Ce schéma montre les différents éjectas et vents (rouge et violet) émis par l’étoile en explosion (gauche, jaune). Le disque à enveloppe commune (bleu) entoure les deux étoiles, celle qui explose en supernova et sa partenaire binaire (non représentée). La couche limite autour du disque à enveloppe commune est la source de l’hydrogène détecté par l’équipe. Crédit : B. Thomas et al./UT Austin
Une équipe multinationale d’astronomes dirigée par Benjamin Thomas, de l’Université du Texas à Austin, a utilisé les observations du télescope Hobby-Eberly (HET) de l’Observatoire McDonald de l’université pour percer le mystère d’une explosion stellaire découverte il y a plusieurs années et qui évolue encore aujourd’hui. Les résultats, publiés dans le numéro du 27 avril 2022 de The Astrophysical Journalaideront les astronomes à mieux comprendre le processus de vie et de mort des étoiles massives.
Lorsqu’une étoile en explosion est détectée pour la première fois, les astronomes du monde entier commencent à la suivre avec des télescopes car la lumière qu’elle émet change rapidement au fil du temps. Ils voient la lumière d’une supernova devenir plus brillante, atteindre un pic, puis commencer à diminuer. En notant les moments de ces pics et de ces creux dans la luminosité de la lumière, appelés “courbe de lumière”, ainsi que les longueurs d’onde caractéristiques de la lumière émise à différents moments, ils peuvent déduire les caractéristiques physiques du système.
“Je pense que ce qui est vraiment cool dans ce genre de science, c’est que nous regardons l’émission qui provient de la matière qui a été rejetée du système progéniteur avant qu’il n’explose en supernova”, a déclaré Thomas. “Et donc cela fait une sorte de machine à remonter le temps”.
Des traînées d’étoiles tournent autour de Polaris, l’étoile polaire, au-dessus du télescope Hobby-Eberly de l’Observatoire McDonald de l’Université du Texas à Austin. Crédit : Ethan Tweedie Photography
Le progéniteur de la supernova 2014C était une étoile binaire, un système dans lequel deux étoiles orbitent l’une autour de l’autre. L’étoile la plus massive a évolué plus rapidement, s’est agrandie et a perdu sa couverture externe d’hydrogène au profit de l’étoile compagnon. Le noyau interne de la première étoile a continué à brûler des éléments chimiques plus légers pour en faire des éléments plus lourds, jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de combustible. À ce moment-là, la pression extérieure du noyau qui soutenait le poids massif de l’étoile s’est dissipée. Le noyau de l’étoile s’est effondré, déclenchant une explosion massive.
Cela en fait un type de supernova que les astronomes appellent “Type Ib”. En particulier, les supernovae de type Ib se caractérisent par l’absence d’hydrogène dans les matériaux éjectés, du moins au début.
“Je pense que ce qui est vraiment cool dans ce type de science, c’est que nous étudions l’émission provenant de la matière qui a été rejetée par le système progéniteur avant qu’il n’explose en supernova. Et donc cela fait une sorte de machine à remonter le temps.” – Benjamin Thomas
Thomas et son équipe ont suivi SN 2014C depuis les télescopes de l’Observatoire McDonald depuis sa découverte cette année-là. De nombreuses autres équipes dans le monde l’ont également étudié avec des télescopes au sol et dans l’espace, et dans différents types de lumière, y compris les ondes radio du Very Large Array au sol, la lumière infrarouge et les rayons X de l’observatoire spatial Chandra.
Mais les études de SN 2014C réalisées par les différents télescopes n’ont pas permis d’obtenir une image cohérente de la manière dont les astronomes pensaient qu’une supernova de type Ib devait se comporter.
D’une part, la signature optique du télescope Hobby-Eberly (HET) a montré que SN 2014C contenait de l’hydrogène – un résultat surprenant qui a également été découvert indépendamment par une autre équipe utilisant un télescope différent.
“Pour une supernova de type Ib, commencer à montrer de l’hydrogène est complètement bizarre”, a déclaré Thomas. “Il y a juste une poignée d’événements qui ont été montrés comme étant similaires”.
La plupart des courbes de lumière de SN 2014C – radio, infrarouge et rayons X – ont suivi le schéma attendu : elles sont devenues plus brillantes, ont atteint un pic, puis ont commencé à diminuer. Mais la lumière optique de l’hydrogène est restée stable.
Le mystère auquel nous nous sommes heurtés est le suivant : ” Comment faire correspondre nos observations HET de l’hydrogène et de ses caractéristiques à ce modèle ? [Type Ib] J. Craig Wheeler, professeur à UT Austin et membre de l’équipe.
Le problème, a réalisé l’équipe, était que les modèles précédents de ce système supposaient que la supernova avait explosé et envoyé son onde de choc de manière sphérique. Les données de HET ont montré que cette hypothèse était impossible -quelque chose d’autre a dû se produire.
“Cela ne rentrerait tout simplement pas dans une image sphériquement symétrique”, a déclaré Wheeler.
L’équipe propose un modèle où les enveloppes d’hydrogène des deux étoiles dans le système binaire progéniteur ont fusionné pour former une “configuration d’enveloppe commune”, où les deux étaient contenues dans une seule enveloppe de gaz. La paire a ensuite expulsé cette enveloppe dans une structure en expansion, semblable à un disque, entourant les deux étoiles. Lorsque l’une des étoiles a explosé, ses éjectas rapides sont entrés en collision avec le disque lent, et ont également glissé le long de la surface du disque dans une ” couche limite ” de vitesse intermédiaire. L’équipe suggère que cette couche limite est à l’origine de l’hydrogène qu’ils ont détecté et ensuite étudié pendant sept ans avec HET.
Ainsi, les données HET se sont avérées être la clé qui a dévoilé le mystère de la supernova SN 2014C.
“Au sens large, la question de savoir comment les étoiles massives perdent leur masse est la grande question scientifique que nous poursuivions”, a déclaré Wheeler. “Quelle est la quantité de masse ? Où se trouve-t-elle ? Quand a-t-elle été éjectée ? Par quel processus physique ? Telles étaient les grandes questions que nous nous posions.
“Et 2014C s’est avéré être un événement unique très important qui illustre le processus “, a déclaré Wheeler.
Référence : “Seven Years of SN 2014C : a Multi-Wavelength Synthesis of an Extraordinary Supernova” par Benjamin P. Thomas, J. Craig Wheeler, Vikram V. Dwarkadas, Christopher Stockdale, Jozsef Vinko, David Pooley, Yerong Xu, Greg Zeimann et Phillip MacQueen, 27 avril 2022, The Astrophysical Journal.
arXiv : 2203.12747
