Supernovae Ia : la Preuve Thermonucléaire

Le 22 janvier dernier, c’est par hasard (c’est toujours par hasard) que fut découverte la supernova la la plus proche jamais vue depuis 42 ans. Cette supernova apparue dans la galaxie M82 était suffisamment proche de nous pour pouvoir être étudiée dans de multiples longueurs d’ondes.  



Comme on le sait, les supernovas (ou supernovae) comme cette SN 2014J sont utilisées par les astronomes pour évaluer des distances, grâce au fait que ces explosions d’étoiles produisent une luminosité intrinsèque toujours identique, faisant de leur luminosité apparente une simple fonction de leur distance.

Encadré : NASA, ESA, HUBBLE HERITAGE;
M82 : NASA, ESA, HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA).

Depuis quelques décennies, le phénomène de supernova de ce type, appelé le type Ia, a été modélisé puis affiné par de nombreux travaux. Il en résulte pour l’origine de cette gigantesque explosion une fusion thermonucléaire d’une étoile naine blanche ayant dépassé la masse critique (dite masse de Chandrasekhar) par accrétion de matière provenant d’une étoile compagne (le plus probablement une autre naine blanche).

Jusqu’à présent, nous n’avions pas de preuve directe que ce phénomène était bien produit par une telle fusion nucléaire des atomes de carbone formant la naine blanche, même si tout semblait coller aux modèles.

L’étude parue dans Nature la semaine dernière et dont se fait l’écho le dernier numéro de Science vient mettre un point presque final à cette question en montrant clairement la présence des isotopes attendus dans les résidus de SN 2014J. Oui, les SN Ia sont bien des explosions thermonucléaires massives de carbone comme on l’avait compris.

Eugene Churazov du Max Planck institute de Garching et ses collègues (dont plusieurs chercheurs français du CNRS et du CEA) ont utilisé le télescope spatial européen INTEGRAL, spécialisé dans les rayons gamma, en le braquant vers la position où était apparue SN 2014J seulement quelques dizaines de jours après l’éclair de lumière visible.

Lorsque la masse de la naine blanche dépasse 1,4 masse solaire, sa gravité ne peut plus être contrecarrée par la pression de dégénérescence des électrons qui la composent, elle s’effondre très rapidement et ce faisant, toute sa matière fusionne brutalement, produisant une gigantesque explosion thermonucléaire, éparpillant une grande quantité de matière, produits de la fusion nucléaire et ne laissant même pas  de résidu compact derrière elle.

Ciel en rayons gamma avant la Supernova (à droite) et après (à gauche) (E. Churazov et al.)

Pour confirmer la nature d’une telle explosion, les astrophysiciens se sont intéressés aux produits de la fusion des noyaux de carbone et des noyaux ultérieurs. En effet, ces derniers sont essentiellement des isotopes radioactifs, instables, qui se désintègrent en émettant notamment des rayons gamma. Et comme les rayons gammas émis ont une énergie bien déterminée qui dépend de la nature du noyau d’atome qui l’a émis, on peut, en les détectant, déterminer non seulement la nature des réactions et de la matière en présence mais aussi sa quantité. Et M82 est suffisamment proche pour que les flux gamma soient détectables…

D’après les modèles élaborés, ces naines blanches de carbone doivent produire, au cours de l’explosion, de nombreux isotopes radioactifs qui mènent finalement à l’isotope nickel-56 (⁵⁶Ni). Le ⁵⁶Ni  se désintègre en quelques jours en cobalt-56 (⁵⁶Co), qui lui-même se désintègre (avec une demi-vie de 77 jours) en fer-56, qui est stable.

Dans les premières semaines suivant l'explosion, les rayons gamma émis par les produits de fusion de la supernova sont absorbés par l’enveloppe de nickel en expansion rapide qui les produit, ce qui est à l’origine de la lumière observée après réémission d’énergie. C’est environ après un mois que l’enveloppe gazeuse devient suffisamment diffuse pour laisser sortir des rayons gamma sans qu’ils n’aient été absorbés ou trop diffusés. L’équipe menée par Churazov a détecté les photons gamma du cobalt-56 en provenance de SN 2014J entre 50 jours et 100 jours après l’explosion. En théorie, la masse totale de ⁵⁶Ni devant être produite par une telle SN Ia est de l’ordre de 0,5 masse solaire. A partir des spectres de rayonnement gamma du cobalt-56 mesurés, Churasov et al. arrivent à estimer la masse de Nickel-56 à 0,56 masse solaire... Ils parviennent également à donner une valeur de la vitesse d’expansion des ejecta : 10000 km/s!

Vue d'artiste de INTEGRAL (ESA)

Il s’agit là de la première preuve observationnelle directe de la nature thermonucléaire d’une supernova Ia, et ces mesures confortent très largement le modèle construit depuis de longues années.

Cependant, une autre équipe d’astrophysiciens majoritairement allemands, menés par Roland Diehl, lui aussi du Max Planck Institute à Garching, a exploré, elle, les émissions de SN2014J mais plus précisément les photons gamma émis très tôt, à peine 20 jours après l’explosion (principalement ceux du nickel-56, et toujours avec INTEGRAL) et elle trouve quelque chose d’anormal…

Certes ces astrophysiciens confirment eux-aussi la nature thermonucléaire de la supernova en mesurant les rayons gamma du nickel-56, mais ils mesurent des photons gamma qui arrivent trop tôt et en trop grande quantité par rapport au timing attendu de l’explosion. Roland Diehl et al. proposent ainsi l’existence d’une sorte d’asymétrie dans cette supernova, comme si un disque d’hélium avait entouré la naine blanche et aurait participé à l’explosion en fournissant du matériau de fusion supplémentaire, voire l’allumette à l’origine de la déflagration…

On le voit, même lorsque l’on apporte une très belle preuve observationnelle d’un modèle utilisé depuis longtemps, des petits détails peuvent encore être à l’origine de nouvelles corrections, potentiellement importantes, à notre compréhension des supernovae.

Références :

Cobalt-56 γ-ray emission lines from the type Ia supernova 2014J

E. Churazov et al.

Nature 512, 406–408 (28 August 2014)

Early 56Ni decay γ rays from SN2014J suggest an unusual explosion

R. Diehl et al.

Science Published Online (July 31 2014)

Supernova breaks the mold

Daniel Clery

Science Vol. 345 no. 6200 p. 993 (29 August 2014)