Preuve de la présence d’une étoile compagne dans une supernova de type Ia

Le 10 mars 2017 est apparue une supernova dans la galaxie NGC 5643 située à 55 millions d’années-lumière : SN 2017cbv, une supernova de type Ia, explosion d’une étoile naine blanche. Ce jour-là, pour la première fois, dans les minutes et les heures qui ont suivi l’explosion, des astronomes ont réussi à observer la preuve de la présence d’une étoile compagne, sous la forme d’un pic de luminosité en ultra-violet.

Ce type d’observation détaillée très précoce suivant la détection d’une supernova a été rendu possible grâce à l’utilisation d’un réseau de télescopes robotisés. Après sa détection par le télescope chilien PROMPT (Panchromatic Robotic Optical Monitoring and Polarimetry Telescope)  qui surveille environ 500 galaxies chaque nuit à la recherche de supernovas, le signal a été envoyé au réseau de 18 télescopes robotisés de l’Observatoire Las Cumbres (LCO), qui sont répartis sur huit sites sur plusieurs continents de manière à toujours en avoir un dans la nuit.

Griffin Hosseinzadeh, chercheur doctorant à l’Université de Californie à Santa Barbara a ainsi pu, avec son équipe, suivre les tous premiers instants suivant l’explosion. Ce qu’ils ont réussi à voir dans les quelques heures qui ont suivi, c’est un pic de luminosité en ultra-violet, qui s’est ensuite évanoui. Cette observation a un caractère fondamental, car elle donne une preuve éclatante de la structure de l’origine de cette supernova. Ce pic de lumière bleue ou ultra-violette est une signature sans équivoque de l’interaction de l’onde de choc de l’explosion de la naine blanche sur une autre étoile, l’étoile compagne du couple qui a fourni la matière à la naine blanche et qui l’a fait exploser. Ils publient leur observation inédite dans The Astrophysical JournalLetters.

Les supernovas de type Ia sont le fruit de l’explosion de naines blanches dont la masse atteint la limite de Chandrasekhar de 1,44 masses solaires, au-delà de laquelle la force de gravitation ne peut plus être contrecarrée par la pression interne de l’étoile. Pour qu’une naine blanche, dont la masse initiale est toujours inférieure à cette limite, puisse dépasser cette masse limite, elle doit gagner de la masse. Une naine blanche isolée n’aura ainsi aucun risque de produire une supernova de type Ia.  Elle doit pour cela vivre en couple avec une autre étoile. Deux modèles s’affrontent depuis plusieurs décennies pour expliquer les supernovas de type Ia, le premier fait intervenir un couple composé d’une naine blanche et d’une étoile « normale » ou géante, le second modèle fait intervenir deux naines blanches dont la somme des masses dépasserait la limite de 1,44 masses solaires, et qui spiraleraient l’une vers l’autre.

Pendant longtemps, c’est le premier modèle qui avait la préférence des astrophysiciens, et puis depuis une dizaine d’années, le modèle du couple de naines blanches s’est peu à peu imposé. Heureusement, il existe un moyen, en théorie, de vérifier quel est le bon modèle : lorsque la naine blanche explose, l’onde de choc doit interagir sur l’étoile compagne si il y en a une, ce qui doit produire un signal détectable. Dans le cas d’un couple de naines blanches fusionnant, le phénomène n’a tout simplement pas lieu. Mais pour voir ce signal distinctif, il faut pouvoir observer ce qui se passe dans les toutes premières heures suivant l’explosion elle-même.  Pour les astronomes, il faut donc non seulement détecter l’apparition d’une supernova en temps réel mais ensuite pointer des télescopes dessus pour analyser immédiatement la lumière qui en est émise, et pouvoir la suivre dans la durée.

Ce n’est que très récemment que des systèmes de détection de supernova automatisés ont été mis en place, menant à la détection d’une grande quantité d’objets transitoires, et encore plus récemment qu’ont été installés des réseaux de télescopes robotisés comme celui de l’Observatoire Las Cumbres, à même d’effectuer ce suivi très peu de temps après l’alerte.

A partir du pic de lumière observé en ultra-violet, Griffin Hosseinzadeh et ses collaborateurs peuvent déduire plusieurs paramètres de l’étoile qui accompagnait la naine blanche, et qui est toujours là. Son rayon fait environ 20 fois celui du Soleil, il s’agit ainsi d’une étoile de type sous-géante.

Il est probable que les supernovas de type Ia connaissent les deux types de mécanismes, mais la technologie désormais à la disposition des astrophysiciens dont cette étude montre la puissance va enfin permettre de quantifier dans quelles proportions.

Le débat sur la nature du progéniteur des SN Ia est loin d’être anodin car ces supernovas sont encore considérées être des chandelles standards dont la luminosité intrinsèque peut être connue précisément, et qui ont été (et sont toujours) utilisées pour mettre en évidence l’accélération de l’expansion de l’Univers. La moindre des choses serait de comprendre comment elles fonctionnent.

Source

Early Blue Excess from the Type Ia Supernova 2017cbv and Implications for Its Progenitor

Griffin Hosseinzadeh et al.

The Astrophysical Journal Letters, Volume 845, Number 2 (14 august 2017)

https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa8402

Illustrations

1) La supernova SN 2017cbv se détachant de sa galaxie hôte NGC 5643 (University of California)

2) Un des télescopes du système PROMPT à l'origine de la détection de SN 2017cbv (Aaron LaCluyze)