mercredi 13 mai 2015

SN 1987A : une Supernova fortement asymétrique

Comment savoir si une supernova par effondrement de cœur, ce qu'on appelle une supernova de type II, explose de manière symétrique, ou bien asymétrique ? C'est une question que ce sont posée les astrophysiciens et à laquelle ils ont pu répondre en montrant que l'une des plus célèbres supernovae, SN 1987A avait explosé de façon totalement asymétrique.


Spectre gamma du Ti-44 du résidu de SN1987A observé
par NuSTAR (Caltech)
La supernova SN 1987A est célèbre car c'est la première que l'on a pu étudier de près avec des instruments modernes, elle se trouvait à une distance faible par rapport aux supernovas que nous observons habituellement (168000 années-lumière, une paille!), car se trouvant dans une galaxie satellite de notre Voie Lactée (le grand nuage de Magellan). On se souvient aussi que SN 1987A nous a permis de détecter nos tous premiers neutrinos en provenance de l'extérieur de notre galaxie...
La question de la symétrie de l'explosion peut sembler sans grand intérêt, mais au contraire, c'est une information très importante pour mieux comprendre ce qu'est vraiment une étoile en fin de vie. 
Quand une étoile s'effondre sur elle même car l'énergie dégagée par la fusion de son cœur ne permet plus de compenser sa propre gravitation, l'implosion qui va mener à une étoile à neutron ou un trou noir, suivie d'un rebond destructeur, produit une énorme onde de choc dans tout ce qui reste de l'enveloppe de l'étoile. Se faisant, des réactions nucléaires inédites ont lieu, produisant quantités de noyaux d'atomes pour bon nombre instables, radioactifs, qui se désintègrent ensuite petit à petit pour mener à d'autres noyaux.
Le résidu d'une telle supernova de type II comporte notamment une quantité importante d'un noyau radioactif, le titane 44.
Le titane 44 est radioactif : il décroit avec une période de 59 ans pour se transformer en scandium-44, radioactif lui aussi, qui décroîtra rapidement en calcium 44. Au cours de la décroissance du titane-44, des photons gamma sont émis, avec une énergie bien déterminée, comme pour tous les noyaux radioactifs (ou presque). Les deux photons gamma principaux du titane-44 ont une énergie de  67,9 keV et 78,3 keV. SN 1987A n'échappe pas à la règle (ou à la théorie), elle produit donc du Titane-44, plus exactement 0,3 millième de masse solaire, ce qui fait 100 fois la masse de la Terre!

Et les photons gamma, tout gamma qu'ils sont, n'en sont pas moins des photons, et comme tels, ils subissent les mêmes effets que n'importe quels autres photons, comme par exemple l'effet Doppler. C'est là que ça devient intéressant pour les astrophysiciens, car comme on le sait, l'effet Doppler est cet effet relativiste qui décale les longueurs d'ondes en fonction de la vitesse du point d'émission. En regardant où se situent exactement les raies gamma du titane-44 détectées, qui sont théoriquement situées à 67,9 keV et 78,3 keV (l'énergie est proportionnelle à la fréquence et inversement proportionnelle à la longueur d'onde), on peut donc connaître la vitesse des noyaux de titane qui ont émis ces photons gamma que nous détectons avec le télescope NuSTAR.
Fiona Harrison, chercheuse à l'université de Californie a mesuré avec son équipe le spectre gamma en provenance du résidu de SN1987A et ils ont découvert que les raies du titane-44 n'était pas à leur place. Elle n'étaient même pas élargies, mais tout simplement légèrement décalées vers des énergies plus basses (des longueurs d'ondes plus grandes si on préfère, ou encore "vers le rouge").
SN 1987A imagée par Hubble, l'anneau brillant est
de la matière éjectée avant l'explosion mais rendue brillante
par l'onde de choc de la supernova (ESA/NASA/Hubble)

Si l'explosion de SN 1987A avait été symétrique, l'enveloppe résiduelle comportant tout ce titane-44 se déplacerait en moyenne autant vers notre direction que vers la direction opposée. De tels mouvements produiraient sur les longueurs d'ondes émises autant de décalage "vers le bleu" que "vers le rouge", ce qui induirait au final un élargissement des raies gamma dans le spectre, qui resteraient centrées sur leur valeur théorique. Ici, rien de tel : les raies sont bien fines, mais toutes les deux décalées vers le rouge. La conclusion est très claire : le titane-44 du résidu de SN1987A se déplace en s'éloignant de nous à très grande vitesse :  700 km/s dans le référentiel au repos de la supernova. Cette mesure vient confirmer des indices antérieurs par des observations optiques de Hubble qui tendaient à indiquer déjà que l'explosion de SN 1987A avait été asymétrique, mais il faut maintenant parler de très forte asymétrie.
Il faut comprendre que c'est le processus interne de l'explosion qui a été profondément asymétrique, et qui s'est propagé ensuite au niveau du résidu. Des simulations numériques d'étoiles en train de s'effondrer ont été conduites au California Institute of Technology et ont montré que le cœur change de forme juste avant l'explosion, passant d'un cœur tout à fait sphérique à une masse informe et turbulente. Ces turbulences seraient produites par des hauts flux de neutrinos absorbés par le cœur. Les simulations montrent d'ailleurs que l'explosion n'aurait pas lieu si le cœur restait complètement sphérique. Les turbulences permettent d'aider les ondes de choc à se propager et ainsi à déclencher l'inévitable...

Mieux comprendre l'asymétrie des explosions de supernovas de type II permettra peut-être d'élucider pourquoi certaines explosions produisent une étoile à neutron et d'autres un trou noir. 
Au fait, si le titane-44 s'éloigne de nous à grande vitesse, cela signifie que l'objet compact produit dans la supernova (étoile à neutron ou trou noir) doit également se déplacer à grande vitesse, mais dans la direction opposée, donc en se rapprochant de nous...


Source  : 
44Ti gamma-ray emission lines from SN1987A reveal anasymmetric explosion
S. Boggs et al.
Science 8 May 2015  Vol 348 Issue 6235