Composite couleur de l'observatoire Las Cumbres et du télescope spatial Hubble de la supernova à capture d'électrons 2018zd (le gros point blanc à droite) et de la galaxie starburst hôte NGC 2146 (vers la gauche). Crédit : NASA/STScI/J. DePasquale ; Observatoire de Las Cumbres
Une équipe mondiale dirigée par des scientifiques de l'Observatoire de Las Cumbres a découvert la première preuve convaincante d'un nouveau type d'explosion stellaire - une supernova à capture d'électrons. Bien qu'ils aient été théorisés pendant 40 ans, les exemples concrets ont été insaisissables. On pense qu'ils proviennent des explosions d'étoiles massives à branches géantes super-asymptotiques (SAGB), pour lesquelles il existe également peu de preuves. La découverte jette également un nouvel éclairage sur le mystère millénaire de la supernova de l'an 1054 qui a été vue partout dans le monde pendant la journée, avant de devenir finalement la nébuleuse du Crabe.
Historiquement, il y a eu deux principaux types de supernova. L'une est une supernova thermonucléaire - l'explosion d'une étoile naine blanche après avoir gagné de la matière dans un système d'étoiles binaires. Ces naines blanches sont les noyaux denses de cendres qui restent après qu'une étoile de faible masse (une jusqu'à environ 8 fois la masse du soleil) a atteint la fin de sa vie. Un autre type de supernova principal est une supernova à effondrement de noyau de fer où une étoile massive - une masse de plus d'environ 10 fois la masse du soleil - manque de combustible nucléaire et voit son noyau de fer s'effondrer, créant un trou noir ou une étoile à neutrons. Les supernovae de capture d'électrons sont à la frontière entre ces deux types de supernovae. Les étoiles arrêtent la fusion lorsque leurs noyaux sont constitués d'oxygène, de néon et de magnésium ; ils ne sont pas assez massifs pour créer du fer.
Alors que la gravité essaie toujours d'écraser une étoile, ce qui empêche la plupart des étoiles de s'effondrer est soit la fusion en cours, soit dans les noyaux où la fusion s'est arrêtée, le fait que vous ne pouvez pas serrer davantage les atomes. Dans une supernova de capture d'électrons, certains des électrons du noyau d'oxygène - néon - magnésium sont écrasés dans leurs noyaux atomiques, dans un processus appelé capture d'électrons. Cette élimination d'électrons provoque la déformation du noyau de l'étoile sous son propre poids et son effondrement, entraînant une supernova de capture d'électrons.
Si l'étoile avait été légèrement plus lourde, les éléments centraux auraient pu fusionner pour créer des éléments plus lourds, prolongeant ainsi sa durée de vie. C'est donc une sorte de situation de boucle d'or inversée : l'étoile n'est pas assez légère pour échapper à l'effondrement de son noyau, ni assez lourde pour prolonger sa vie et mourir plus tard par d'autres moyens.
C'est la théorie qui a été formulée début 1980 par Ken'ichi Nomoto de l'Université de Tokyo, et d'autres. Au fil des décennies, les théoriciens ont formulé des prédictions sur ce qu'il faut rechercher dans une supernova à capture d'électrons et leurs progéniteurs d'étoiles SAGB. Les étoiles devraient avoir beaucoup de masse, en perdre une grande partie avant d'exploser, et cette masse près de l'étoile mourante devrait avoir une composition chimique inhabituelle. Ensuite, la supernova de capture d'électrons devrait être faible, avoir peu de retombées radioactives et avoir des éléments riches en neutrons dans le noyau.
Impressions d'artiste d'une branche d'étoile géante super-asymptotique (à gauche) et de son noyau (à droite) composé d'oxygène (O), de néon (Ne) et de magnésium (Mg). Une branche géante super-asymptotique est l'état final des étoiles dans une gamme de masse d'environ 8 à 10 masses solaires, dont le noyau est une pression supportée par des électrons (e-). Lorsque le noyau devient suffisamment dense, le néon et le magnésium commencent à manger des électrons (appelées réactions de capture d'électrons), réduisant la pression du noyau et induisant une explosion de supernova avec effondrement du noyau. Crédit : S. Wilkinson ; Observatoire de Las Cumbres
La nouvelle étude, publiée dans Nature Astronomie, est dirigé par Daichi Hiramatsu, étudiant diplômé de l'Université de Californie à Santa Barbara (UCSB) et de l'Observatoire Las Cumbres (LCO). Hiramatsu est un membre central du Global Supernova Project, une équipe mondiale de scientifiques utilisant des dizaines de télescopes autour et au-dessus du globe. L'équipe a découvert que la supernova SN 2018zd avait de nombreuses caractéristiques inhabituelles, dont certaines ont été vues pour la première fois dans une supernova.
Cela a aidé que la supernova soit relativement proche - à seulement 31 millions d'années-lumière - dans la galaxie NGC 2146. Cela a permis à l'équipe d'examiner des images d'archives prises avant l'explosion depuis le Le télescope spatial Hubble et pour détecter l'étoile progénitrice probable avant qu'elle n'explose. Les observations étaient cohérentes avec une autre étoile SAGB récemment identifiée dans la Voie lactée, mais incompatibles avec les modèles de supergéantes rouges, les progéniteurs des supernovae normales à noyau de fer.
L'étude a examiné toutes les données publiées sur les supernovae et a constaté que si certains avaient quelques-uns des indicateurs prédits pour les supernovae à capture d'électrons, seul SN 2018zd avait les six - un ancêtre SAGB apparent, une forte perte de masse pré-supernovae, une stellaire inhabituelle composition chimique, une faible explosion, peu de radioactivité et un noyau riche en neutrons.
"Nous avons commencé par demander" qu'est-ce que c'est que ce cinglé? ", A déclaré Hiramatsu. "Ensuite, nous avons examiné tous les aspects de SN 2018zd et réalisé que tous pouvaient être expliqués dans le scénario de capture d'électrons."
Les nouvelles découvertes éclairent également certains mystères de la supernova la plus célèbre du passé. En 1054 après JC, une supernova s'est produite dans la galaxie de la Voie lactée et, selon les archives chinoises et japonaises, elle était si brillante qu'elle pouvait être vue de jour pendant 23 jours et de nuit pendant près de deux ans. Le reste qui en résulte, la nébuleuse du crabe, a été étudié en détail. C'était auparavant le meilleur candidat pour une supernova de capture d'électrons, mais cela était incertain en partie parce que l'explosion s'est produite il y a près de mille ans. Le nouveau résultat augmente la confiance que le SN 1054 historique était une supernova de capture d'électrons. Cela explique également pourquoi cette supernova était relativement brillante par rapport aux modèles : sa luminosité a probablement été artificiellement améliorée par la collision de l'éjecta de la supernova avec le matériau rejeté par l'étoile progénitrice, comme on l'a vu dans SN 2018zd.
Le Dr Ken Nomoto de l'IPMU Kavli de l'Université de Tokyo était ravi que sa théorie ait été confirmée, ajoutant: «Je suis très heureux que la supernova à capture d'électrons ait finalement été découverte, ce que mes collègues et moi avions prédit d'exister et d'avoir une connexion à la nébuleuse du Crabe il y a 40 ans. J'apprécie beaucoup les grands efforts déployés pour obtenir ces observations. C'est un cas merveilleux de la combinaison d'observations et de théorie.
Hiramatsu a ajouté: "Ce fut un tel" moment Eureka "pour nous tous que nous pouvons contribuer à boucler la boucle théorique vieille de 40 ans, et pour moi personnellement parce que ma carrière en astronomie a commencé lorsque j'ai regardé les superbes images du Univers dans la bibliothèque du lycée, dont l'emblématique nébuleuse du crabe prise par le Le télescope spatial Hubble. »
"Le terme Rosetta Stone est utilisé trop souvent comme une analogie lorsque nous trouvons un nouvel objet astrophysique", a déclaré le Dr Andrew Howell, scientifique à l'observatoire de Las Cumbres et professeur auxiliaire à l'UCSB, "mais dans ce cas, je pense que c'est approprié . Cette supernova nous aide littéralement à décoder les archives millénaires des cultures du monde entier. Et cela nous aide à associer une chose que nous ne comprenons pas entièrement, la nébuleuse du crabe, à une autre chose dont nous avons d'incroyables archives modernes, cette supernova. Dans le processus, il nous enseigne la physique fondamentale : comment certaines étoiles à neutrons se forment, comment les étoiles extrêmes vivent et meurent, et comment les éléments dont nous sommes faits sont créés et dispersés dans l'univers. Le Dr Howell est le chef du Global Supernova Project et le conseiller doctoral de l'auteur principal.
Pour en savoir plus sur cette recherche :
Référence : "L'origine de la capture d'électrons de la supernova 2018zd" par Daichi Hiramatsu, D. Andrew Howell, Schuyler D. Van Dyk, Jared A. Goldberg, Keiichi Maeda, Takashi J. Moriya, Nozomu Tominaga, Ken'ichi Nomoto, Griffin Hosseinzadeh , Iair Arcavi, Curtis McCully, Jamison Burke, K. Azalee Bostroem, Stefano Valenti, Yize Dong, Peter J. Brown, Jennifer E. Andrews, Christopher Bilinski, G. Grant Williams, Paul S. Smith, Nathan Smith, David J. Sand, Gagandeep S. Anand, Chengyuan Xu, Alexei V. Filippenko, Melina C. Bersten, Gastón Folatelli, Patrick L. Kelly, Toshihide Noguchi et Koichi Itagaki, 28 juin 2021, Nature Astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-021-01384-2
DH, DAH, GH, CM et JB ont été soutenus par les subventions AST-1313484 et AST-1911225 de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, ainsi que par la subvention 80NSSC19kf1639 de la National Aeronautics and Space Administration (NASA).
