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Pendant six mois en 1181, une étoile mourante a laissé une trace dans le ciel nocturne.
L’objet frappant est apparu aussi brillant que Saturne à proximité de la constellation de Cassiopée, et les chroniques historiques de Chine et du Japon l’ont enregistré comme une « étoile invitée ».
Les astronomes chinois utilisaient ce terme pour désigner un objet temporaire dans le ciel, souvent une comète ou, comme dans ce cas, une supernova — une explosion cataclysmique d’une étoile à la fin de sa vie.
L’objet, désormais connu sous le nom de SN 1181, fait partie d’une poignée de supernovas documentées avant l’invention des télescopes, et il a intrigué les astronomes pendant des siècles.
Une nouvelle étude a pour la première fois décrit en détail SN 1181 en créant un modèle informatisé de l’évolution de la supernova depuis immédiatement après l’apparition de l’explosion initiale jusqu’à aujourd’hui. L’équipe de recherche a comparé le modèle avec les observations archivistiques de sa nébuleuse, le nuage géant de gaz et de poussière, visible à ce jour, qui est le vestige de cet événement monumental.
Les chercheurs ont déclaré que l’analyse suggérait fortement que SN 1181 appartenait à une classe rare de supernovas appelée Type Iax dans laquelle l’éruption thermonucléaire pourrait être le résultat non pas d’une, mais de deux naines blanches qui sont entrées violemment en collision mais n’ont pas réussi à exploser complètement, laissant derrière elles une « étoile zombie ».
« Il existe 20 à 30 supernovae candidates de type Iax », a déclaré Takatoshi Ko, auteur principal de l’étude publiée le 5 juillet dans The Astrophysical Journal. « Mais c’est la seule que nous connaissons dans notre propre galaxie. » Ko est doctorant en astronomie à l’Université de Tokyo.
De plus, l’étude a également révélé que, de manière inexplicable, un vent stellaire à grande vitesse, détecté dans des études antérieures, a commencé à souffler depuis la surface de l’étoile zombie il y a seulement 20 ans, ajoutant à l’aura mystérieuse de SN 1181. Décrypter le mécanisme à l’origine de cet événement de supernova pourrait aider les astronomes à mieux comprendre la vie et la mort des étoiles et la façon dont elles contribuent à la formation planétaire, affirment les experts.
Échec de la détonation d’une supernova
Il a fallu 840 ans aux astronomes pour résoudre la première grande énigme de SN 1181 : localiser avec précision sa position dans la Voie lactée. L’étoile mourante était la dernière supernova pré-télescopique sans vestige confirmé, jusqu’à ce qu’en 2021, Albert Zijlstra, professeur d’astrophysique à l’université de Manchester en Angleterre, la ramène à une nébuleuse de la constellation de Cassiopée.
L’astronome amateur Dana Patchick a découvert la nébuleuse en 2013 en effectuant des recherches dans les archives du Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) de la NASA. Mais Zijlstra, qui n’a pas participé à la nouvelle étude, a été le premier à faire le lien avec SN 1181.
« Au plus fort de la crise du Covid, j’ai passé un après-midi tranquille chez moi », a déclaré Zijlstra. « J’ai fait correspondre la supernova à la nébuleuse en utilisant des enregistrements d’anciens catalogues chinois. Je pense que c’est désormais généralement accepté – beaucoup de gens l’ont examiné et ont convenu que cela semble être correct. Il s’agit du reste de cette supernova. »
La nébuleuse se trouve à environ 7 000 années-lumière de la Terre. En son centre se trouve un objet de la taille de la Terre, appelé naine blanche, une étoile dense et morte qui a épuisé son combustible nucléaire. Cette caractéristique est inhabituelle pour un reste de supernova, car l’explosion aurait dû anéantir la naine blanche.
Zijlstra et ses coauteurs ont rédigé une étude sur cette découverte en septembre 2021. Le rapport suggérait que SN 1181 pourrait appartenir à la catégorie insaisissable des supernovae de type Iax en raison de la présence de cette naine blanche « zombie ».
Dans la supernova de type Ia, plus courante, une naine blanche qui se forme lorsqu’une étoile semblable au Soleil a épuisé son carburant commence à accumuler de la matière provenant d’une autre étoile proche. De nombreuses étoiles existent par paires, ou dans un système binaire, contrairement au Soleil. La naine blanche accumule de la matière jusqu’à ce qu’elle s’effondre sous l’effet de sa propre gravité, ce qui relance la fusion nucléaire avec une explosion massive qui crée l’un des objets les plus brillants de l’univers.
Le type Iax, plus rare, est un scénario dans lequel cette explosion, pour une raison ou une autre, est stoppée. « Une possibilité est que le type Iax ne soit pas vraiment une explosion, mais plutôt la fusion de deux naines blanches », a déclaré Zijlstra. « Les deux se rencontrent, se heurtent à pleine vitesse, et cela peut générer beaucoup d’énergie. Cette énergie est à l’origine de la soudaine luminosité de la supernova. »
Cette collision massive pourrait expliquer un autre aspect curieux de l’étoile zombie SN 1181. Elle ne contient ni hydrogène ni hélium, ce qui est très inhabituel dans l’espace, a déclaré Zijlstra.
« Environ 90 % de l’univers est constitué d’hydrogène et le reste est presque exclusivement constitué d’hélium. Tout le reste est assez rare », a-t-il déclaré. « Il faut rechercher 10 000 atomes avant d’en trouver un qui ne soit ni de l’hydrogène ni de l’hélium. Mais notre étoile (le soleil au centre de notre système solaire) n’en contient (principalement) que ceux-là. Il est donc clair qu’il s’est passé quelque chose d’extrême avec (l’étoile zombie) ».
Vent stellaire inexpliqué
Armés de cette connaissance sur l’endroit où chercher SN 1181 et de la suggestion qu’il pourrait s’agir d’un vestige de type Iax, Ko et ses collègues se sont mis au travail pour découvrir ses derniers secrets.
« En suivant avec précision l’évolution temporelle du reste, nous avons pu obtenir pour la première fois des propriétés détaillées de l’explosion de SN 1181. Nous avons confirmé que ces propriétés détaillées sont cohérentes avec une supernova de type Iax », a déclaré Ko, ajoutant que le modèle informatique de l’étude est cohérent avec les observations passées du reste à partir de télescopes, notamment le télescope spatial XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne et l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA.
L’analyse de Ko montre que deux régions de choc distinctes composent le reste de SN 1181. Une région externe s’est formée lorsque de la matière a été éjectée par l’explosion de la supernova et a rencontré l’espace interstellaire. Une région interne, plus récente, est plus difficile à expliquer.
L’étude suggère que cette région de choc interne pourrait être un signe que l’étoile a recommencé à brûler, des siècles après l’explosion, conduisant à une découverte surprenante, a ajouté Ko : un vent stellaire à grande vitesse semble avoir commencé à souffler depuis la surface de l’étoile il y a seulement 20 à 30 ans.
En règle générale, ce flux rapide de particules que les astronomes appellent vent stellaire devrait être émis par la naine blanche en raison de la rotation rapide de l’étoile juste après l’explosion de la supernova.
« Nous ne comprenons pas entièrement pourquoi l’étoile s’est rallumée et pourquoi le vent stellaire a commencé si récemment », a déclaré Ko. « Nous pensons que l’étoile s’est rallumée parce que SN 1181 était une supernova de type Iax, c’est-à-dire une explosion incomplète. En conséquence, la matière éjectée par l’explosion ne s’est pas complètement échappée et est restée sous l’influence gravitationnelle de la naine blanche centrale. Cette matière aurait pu finir par s’accumuler sur la naine blanche en raison de sa gravité, provoquant son rallumage. »
Cependant, note Zijlstra, cette théorie contraste avec les observations qui montrent que la luminosité de l’étoile a diminué au cours du siècle dernier.
« On ne sait pas exactement quel est le lien avec le changement de direction du vent », a-t-il déclaré. « Je m’attendais à ce que l’étoile s’éclaire plutôt qu’à ce qu’elle pâlisse. »
Ko et ses collègues sont conscients de ce problème. Ils pensent qu’il existe un lien entre le vent et l’atténuation de la luminosité et ils étudient actuellement la question.
Les chercheurs préparent de nouvelles observations de SN 1181 avec deux instruments qu’ils n’ont pas encore utilisés : le Very Large Array de radiotélescopes du Nouveau-Mexique et le télescope Subaru à Hawaï.
Ces études, a déclaré Ko, aideront à éclairer les connaissances des scientifiques sur toutes les supernovas.
« Les supernovae de type Ia ont joué un rôle crucial dans la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers », a-t-il déclaré. « Mais malgré leur importance, leur mécanisme d’explosion reste inconnu, ce qui en fait l’un des défis les plus importants de l’astronomie moderne. »
En étudiant SN 1181 et son explosion incomplète, a-t-il ajouté, les scientifiques peuvent mieux comprendre le mécanisme des supernovas de type Ia.
Une opportunité unique
Étant donné que des objets tels que SN 1181 sont importants pour la fabrication de nombreux éléments qui composent les humains, leur étude constitue une formidable opportunité, selon Zijlstra.
« Ces événements très énergétiques peuvent accumuler des éléments plus lourds que le fer, comme les terres rares », a-t-il déclaré. « Il est intéressant de disposer d’un exemple d’un tel événement survenu il y a 1 000 ans, où nous pouvons encore voir les matériaux éjectés, et peut-être qu’à l’avenir nous pourrons voir exactement quels éléments ont été créés lors de cet événement. »
Ces connaissances aideraient les scientifiques à comprendre comment la Terre s’est formée et a obtenu ces éléments, a ajouté Zijlstra.
Historiquement, les observations anciennes de supernovas ont été d’une importance capitale pour l’astrophysique moderne, a déclaré Bradley Schaefer, professeur émérite d’astrophysique et d’astronomie à l’Université d’État de Louisiane, qui n’a pas participé à la dernière étude.
Schaefer a ajouté que SN 1181 représente l’une des rares connexions fiables entre supernova et reste de supernova. L’objet est important car il constitue le seul cas possible pour obtenir de bonnes observations de l’insaisissable type Iax.
« On s’est rendu compte que les supernovae de type Iax constituent environ 20 % des supernovae de n’importe quelle galaxie, y compris notre propre Voie Lactée, et qu’elles pourraient former la majeure partie de la mystérieuse poussière de l’Univers primitif », a déclaré Schaefer dans un courriel.
De notre vivant, a-t-il ajouté, les astrophysiciens n’obtiendront pas de meilleur cas observé d’événement de type Iax, les chercheurs doivent donc travailler dur pour comprendre SN 1181.
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