samedi 8 janvier 2022

Observation de signes précurseurs avant l'explosion d'une supergéante rouge


Une équipe internationale d'astrophysiciens a pour la première fois observé la dernière phase de vie d'une étoile supergéante rouge, juste avant qu'elle n'explose en supernova. Les observations pré- et post-explosion permettent de comprendre ce qui s'est passé. L'étude est parue dans The Astrophysical Journal

Ce sont les derniers soubresauts de l'étoile dans les 130 derniers jours avant son effondrement en supernova de type II que Wynn Jacobson-Galan (University of California à Berkeley) et ses collaborateurs ont pu observer avec deux télescopes hawaïens : Pan-STARRS et Keck. Les chercheurs du projet Young Supernova Experiment (YSE) ont suivi l'activité de cette étoile située dans la galaxie NGC 5731 à environ 120 millions d'années-lumière de la Terre (36,8 mégaparsecs), 10 à 12 fois plus massive que le Soleil, sans savoir qu'elle allait exploser. C'est une chance inouïe de l'avoir vue disparaître après avoir enregistré pas mal de données sur son activité. Pan-STARRS a détecté pour la première fois l'étoile massive condamnée au printemps 2020. Et c'est le 5 septembre 2020, que l'étoile a explosé, puis le 16 septembre qu'elle fut détectée par le système de surveillance ATLAS et est devenue officiellement SN 2020tlf.  Mais Jacobson-Galan et son équipe observaient la zone le 5 septembre et ils ont rapidement capturé sa lumière et ont obtenu le tout premier spectre post-explosion à l'aide du spectromètre imageur à basse résolution (LRIS) de l'observatoire Keck. Les données spectroscopiques (présence de raies étroites de photoionisation) ont montré des preuves directes de la présence d'un matériau circumstellaire dense entourant l'étoile au moment de l'explosion, le même gaz que celui responsable du flash éruptif que Pan-STARRS avait imagé quelques semaines auparavant selon les chercheurs.
Dès l'apparition de la supernova, Jacobson-Galan et son équipe ont en effet recherché dans les données qui avaient été enregistrées sur la zone l'évolution de la luminosité de l'étoile qui se trouve exactement à l'emplacement de la supernova. Et ils ont pu découvrir une sorte d'éruption provenant de l'étoile qui se situait là, qui ne peut s'expliquer que par une forte perte de masse éruptive, selon eux.

Un certain nombre d'explications théoriques ont été avancées pour expliquer la perte de masse éruptive dans les progéniteurs de supernovas à effondrement de coeur, qui pourrait être responsable d'émissions de précurseurs détectables et aussi de caractéristiques de photoionisation dans les spectres précoces post-explosion. Mais seuls des scénarios exotiques sont à même de chasser une quantité considérable de matière de la surface stellaire, car le seul vent stellaire s'avère insuffisant. Dans les supergéantes rouges de "faible" masse (8 à 12 M⊙ ), il est ainsi possible que des flashes nucléaires déclenchent la combustion dynamique de l'oxygène, du néon ou du silicium et puissent conduire à l'éjection des couches externes de l'enveloppe stellaire au cours des dernières années ou des derniers mois avant l'explosion. Alternativement, les phases de combustion ultimes de l'étoile, menant à la production de fer dans le coeur peuvent induire des ondes de gravité qui se propagent vers l'extérieur et injectent de l'énergie dans l'enveloppe stellaire, ce qui conduirait à des éruptions qui peuvent éjecter 1 M⊙ de matière dans les derniers mois avant l'explosion. 


La détection inédite d'un rayonnement précurseur provenant de la supergéante rouge au cours de la dernière année avant l'explosion suggère donc que certaines de ces étoiles doivent subir d'importants changements dans leur structure interne, qui entraînent ensuite l'éjection tumultueuse de gaz quelques instants avant leur effondrement. Une modélisation de la supergéante en fin de vie indique que le gaz cirumstellaire qui a été expulsé avant l'explosion était resté cantonné à un rayon de moins de 100 unités astronomiques. Le taux de perte de masse de la supergéante est estimé par les chercheurs à 0,01 masses solaires/an (ce qui équivaut à 10 Jupiters par an...) Une telle activité si violente dans une étoile supergéante rouge n'avait encore jamais été vue. On sait maintenant ce que ça peut vouloir dire...

La supernova a été classée dans la catégorie des supernovas normales de type II, une supernova à effondrement de coeur lumineuse. L'équipe a continué à surveiller SN 2020tlf pendant 300 jours après l'explosion avec le DEep Imaging and Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) et le Near Infrared Echellette Spectrograph (NIRES) de l'Observatoire Keck. Le plateau lumineux de la courbe de lumière de la supernova et l'excès bleu persistant indiquent que l'étoile progénitrice était très étendue, confirmant une classe supergéante rouge, avec un rayon égal à 1100 R⊙ juste avant l'explosion! Le rayon de l'étoile faisait 770 millions de km, soit 5,1 unités astronomiques, la distance Soleil-Jupiter ... Une étoile démesurée.
Cette découverte défie les idées précédentes sur l'évolution des étoiles supergéantes rouges juste avant leur explosion. Auparavant, toutes les supergéantes rouges qui avaient pu être observées rétrospectivement quelques temps avant d'exploser étaient apparues relativement calmes : elles ne présentaient aucune trace d'éruptions violentes ou d'émissions lumineuses, comme ce qui a été observé avant SN 2020tlf. Mais la détection de ce signal est très difficile car il se trouve à la limite de sensibilité de nos instruments actuels. 
La découverte de l'équipe de Jacobson-Galán ouvre la voie à des études pour rechercher des rayonnements lumineux transitoires provenant de supergéantes rouges et trouver d'autres preuves que ce comportement peut signaler l'explosion imminente d'une étoile massive. L'observatoire Vera Rubin sera l'instrument idéal pour ces futures recherches..., si les mégaconstellations de satellites lui en laisse l'opportunité.

Source

Final Moments. I. Precursor Emission, Envelope Inflation, and Enhanced Mass Loss Preceding the Luminous Type II Supernova 2020tlf
Wynn Jacobson-Galán et al.
The Astrophysical Journal, Volume 924, Number 1 (January 6 2022 ) 


Illustration

Vue d'artiste de la supergéante rouge avant son explosion (Observatoire W.M. Keck/Adam Makarenko)

2 commentaires :

Nadoubui a dit…

Sont-ce des images d'artiste ou des images réelles ?

Dr Eric Simon a dit…

Je le dis en bas du billet : il s'agit d'images d'artiste (on ne voit pas des étoiles comme ça ! )