Depuis près d'un siècle, les astronomes étudient les supernovae avec grand intérêt. Ces événements miraculeux se produisent lorsqu'une étoile entre dans la phase finale de sa durée de vie et s'effondre, ou est dépouillée par une étoile compagne de ses couches externes au point où elle subit l'effondrement du noyau. Dans les deux cas, cet événement entraîne généralement un dégagement massif de matière quelques fois la masse de notre Soleil.
Cependant, une équipe internationale de scientifiques a récemment été témoin d'une supernova qui était étonnamment faible et brève. Leurs observations indiquent que la supernova a été causée par un compagnon invisible, probablement une étoile à neutrons qui a dépouillé son compagnon de matière, la faisant s'effondrer et devenir supernova. C'est donc la première fois que les scientifiques assistent à la naissance d'un système binaire compact à étoiles à neutrons.
L'étude, intitulée «Une supernova ultra-dépouillée chaude et rapide qui a probablement formé une binaire compacte à étoiles à neutrons», a récemment paru dans la revue Science. L'étude a été dirigée par Kishalay De, un étudiant diplômé du département d'astrophysique de Caltech, et comprenait des membres du Goddard Space Flight Center de la NASA et du Jet Propulsion Laboratory, du Weizmann Institute of Science, du Max Planck Institute for Astrophysics, du Lawrence Berkeley National Laboratory. et plusieurs universités et observatoires.
Les recherches de l'équipe ont été menées principalement dans le laboratoire de Mansi Kasliwal, professeur adjoint d'astronomie à Caltech et co-auteur de l'étude. Elle est également la chercheuse principale du projet Global Relay of Observatories Watching Transients Happen (GROWTH) dirigé par Caltech, une collaboration astronomique internationale qui se concentre sur l'étude de la physique des événements transitoires (de courte durée) - à savoir supernovae, étoiles à neutrons, noir les fusions de trous et les astéroïdes géocroiseurs.
Pour les besoins de leur étude, l'équipe a observé l'événement de supernova connu sous le nom d'iPTF 14gqr, qui est apparu à la périphérie d'une galaxie spirale à environ 920 millions d'années-lumière de la Terre. Au cours de leurs observations, ils ont remarqué que la supernova avait entraîné la libération d'une quantité comparable de matière - environ un cinquième de la masse du Soleil. Ce fut une surprise, comme Kasliwali l'a indiqué dans un récent communiqué de presse de Caltech:
"Nous avons vu l'effondrement du noyau de cette énorme étoile, mais nous avons vu remarquablement peu de masse éjectée. Nous appelons cela une supernova à enveloppe ultra-dépouillée et il est prédit depuis longtemps qu'ils existent. C'est la première fois que nous voyons de manière convaincante l'effondrement du noyau d'une étoile massive si dépourvue de matière. »
Cet événement était inhabituel car, pour que les étoiles s'effondrent, leurs noyaux doivent avoir été préalablement enveloppés par des quantités massives de matériau. Cela a soulevé la question de savoir où les étoiles manquant de masse auraient pu disparaître. Sur la base de leurs observations, ils ont déterminé qu'un compagnon compact (soit une naine blanche ou une étoile à neutrons) devait l'avoir siphonné au fil du temps.
Ce scénario est à l'origine des supernovae de type I, qui se produisent dans un système binaire composé d'une étoile à neutrons et d'une géante rouge. Dans ce cas, l'équipe n'a pas pu repérer le compagnon de l'étoile à neutrons, mais a estimé qu'il devait s'être formé en orbite avec l'autre étoile, formant ainsi le système binaire d'origine. En effet, cela signifie qu'en observant iPTF 14gqr, l'équipe a assisté à la naissance d'un système binaire composé de deux étoiles à neutrons compactes.
De plus, le fait que ces deux étoiles à neutrons soient si proches l'une de l'autre signifie qu'elles finiront par fusionner dans un événement similaire à celui qui a eu lieu en 2017. Connue sous le nom d '«événement kilonova», cette fusion a été le premier événement cosmique à être vu à la fois dans les ondes gravitationnelles et électromagnétiques. Des observations de suivi ont également indiqué que la fusion avait probablement entraîné la formation d'un trou noir.
Cela crée des opportunités pour de futures enquêtes, qui regarderont iPTF 14gqr pour voir si un autre événement kilonova en résulte et crée un autre trou noir. En plus de cela, le fait que l'équipe ait pu observer l'événement a été assez chanceux, étant donné que ces phénomènes sont à la fois rares (ne représentant que 1% des événements de supernova) et de courte durée. Comme De l'a expliqué:
«Vous avez besoin de relevés transitoires rapides et d'un réseau bien coordonné d'astronomes dans le monde entier pour vraiment capturer la phase précoce d'une supernova. Sans données à ses débuts, nous n'aurions pas pu conclure que l'explosion devait provenir du noyau s'effondrant d'une étoile massive avec une enveloppe d'environ 500 fois le rayon du soleil. »
L'événement a été détecté pour la première fois par l'Observatoire Palomar dans le cadre de la Palomar Transient Factory (iPTF) intermédiaire - une collaboration scientifique où des observatoires du monde entier surveillent le cosmos à la recherche d'événements cosmiques de courte durée comme les supernovae. Grâce à l'iPTF effectuant des levés nocturnes, le télescope Palomar a pu repérer l'iPTF 14gqr très peu de temps après son passage en supernova.
La collaboration a également permis de garantir qu’une fois que le télescope Palomar n’aurait plus pu le voir (en raison de la rotation de la Terre), d’autres observatoires auraient pu continuer à le surveiller et suivre son évolution. À l'avenir, le Zwicky Transient Facility (qui succède à l'Observatoire Palomar pour l'iPTF) effectuera des relevés du ciel encore plus fréquents et plus larges, dans l'espoir de repérer davantage de ces événements rares.
Ces levés, en coordination avec les efforts de suivi de réseaux comme GROWTH, permettront aux astronomes d'étudier l'évolution des systèmes binaires compacts. Cela permettra de mieux comprendre non seulement comment ces objets interagissent, mais aussi de mieux comprendre la formation des ondes gravitationnelles et de certains types de trous noirs.
