samedi 25 mai 2019

La détection de Zinc dans une très vieille étoile éclaire sur la nature des premières supernovas


HE 1327-2326 est une étoile ancienne peu banale. Cette étoile de deuxième génération possède beaucoup de zinc. Des astrophysiciens se sont penchés sur son cas et en viennent à la conclusion que ce zinc n'a pu être apporté dans son nuage de formation que par une supernova produite par une étoile de première génération, mais une supernova elle-aussi très particulière...




HE 1327-2326 a été découverte en 2005, malgré sa distance relativement proche de 5000 années-lumière. A l'époque, cette étoile était l'étoile la plus pauvre en métaux jamais observée (elle a été détrônée depuis). Elle montre une métallicité de -5,6, ce qui veut dire que sa fraction [Fe/H] par rapport à la valeur du Soleil vaut 10-5.6, ce qui fait 2,5 millionièmes. 

Cette très faible teneur en fer indique qu'elle est une étoile de deuxième génération (de population II), avec très peu d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium. A l'époque de sa formation, très peu d'étoiles (de première génération, ou population III) avaient déjà produit des éléments lourds et les avaient dispersés dans des nuages de gaz à même de former de nouvelles étoiles.
Alors que les étoiles de première génération étaient très massives et avaient donc une durée de vie très faible d'à peine 10 millions d'années, avant d'exploser en supernova et de former des trous noirs, les étoiles de deuxième génération étaient beaucoup moins massives et peuvent encore exister aujourd'hui, à l'image de HE 1327-2326.
Les étoiles de deuxième génération comportent ainsi les éléments qui ont été forgés par les étoiles de première génération.
Rana Ezzeddine (MIT) et ses collaborateurs ont observé HE 1327-2326 en mai 2016 avec le spectrographe Cosmic Origins Spectrograph du télescope Hubble. Il leur a permis de quantifier les très faibles traces d'éléments plus lourds que l'hélium présents dans l'étoile grâce à leurs raies d'absorption dans le domaine des ultra-violets , comme le silicium, le phosphore, le zinc ou le fer. Et les astrophysiciens et astrophysiciennes ont été surpris de voir apparaître une grosse raie associée au zinc (la raie Zn I à 2138 Å) tout à fait anormale pour une étoile de ce type, menant à une abondance relative [Zn/Fe] = 0,8, soit une abondance en zinc par rapport au fer 6,3 fois plus importante que celle observée dans le Soleil.  

Rana Ezzeddine et Anna Frebel se sont alors adressées à des collaborateurs au Japon qui s'étaient spécialisés dans les simulations de la formation des étoiles de deuxième génération à partir des éléments des premières supernovas. Les chercheurs ont effectués ensemble pas moins de 10 000 simulations de supernovas dans de très nombreuses configurations, différentes énergies et différents paramètres géométriques et physiques. Leurs calculs indiquent que lorsque l'explosion de la supernova (de 25 masses solaires) est de symétrie sphérique, on parvient à reproduire la plupart des abondances des éléments observées dans HE 1327-2326, mais jamais celle du zinc. 
En revanche, certaines configurations dans les simulations produisaient la bonne abondance de zinc, ainsi que des autres éléments, mais il s'agissait de configurations très extrêmes : une explosion à symétrie non sphérique produisant un puissant jet de matière accompagnant la naissance du trou noir. 
Les configurations à symétrie sphérique ne pouvaient pas produire du zinc disponible dans les quantités observés car les éléments lourds produits dans l'étoile et durant le processus de supernova ont tendance à rester confinés autour du trou noir produit pour finir par y être absorbés. Seules les configurations d'explosion dont la symétrie n'est pas sphérique sont à même de disperser efficacement du zinc à grande distance, voire à très grande distance.
Cette étude est la première du genre à fournir une preuve de l'existence de supernovas à symétrie non sphérique dans la première génération d'étoiles.

L'énergie de ce type de supernova est elle-aussi extrême car elle devrait, selon les chercheurs, atteindre 5 à 10 fois la valeur classiquement attendue en théorie pour des supernovas "normales". Ces jets de matière seraient suffisamment énergétiques pour aller ensemencer des galaxies voisines jusque là vierges de tout élément lourd.
Une telle forme de supernova a aussi des implications sur la période qu'on appelle la réionisation de l'Univers, une époque cosmique au cours de laquelle l'hydrogène du milieu intergalactique a été à nouveau ionisé, après 500 millions d'années sous forme neutre. Cette réionisation s'est faite par le rayonnement ultra-violet intense des toutes premières galaxies et de leurs premières étoiles et le rayonnement des supernovas qu'elles ont produites. On pensait jusque là que les explosions de supernovas de ces premières étoiles n'étaient pas assez énergétiques pour participer majoritairement à la réionisation du milieu. Mais si les premières supernovas étaient énergétiques comme celle que Ezzeddine et ses collaborateurs ont imaginée pour expliquer l'anomalie du zinc observée dans HE 1327-2326, alors ça change tout. Les premières supernovas pourraient bien être des actrices majeures dans la réionisation de l'Univers.


Source

Evidence for an Aspherical Population III Supernova Explosion Inferred from the Hyper-metal-poor Star HE 1327–2326
Rana Ezzeddine et al.
The Astrophysical Journal, Volume 876, Number 2 (8 may 2019)


Illustration

Simulation de l'explosion d'une supernova non sphérique (N. Tominaga et al.)