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Le dernier secret des supernovae

le Samedi 7 Avril 2012 à 14:00
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Les supernovae sont les plus puissantes et les plus lumineuses explosions de tout l'Univers... Les astronomes les traquent toutes les nuits, car l'extraordinaire luminosité de ces astres permet de les observer à plus de dix milliards d'années-lumière de la Terre. Ce sont des "chandelles cosmiques" d'une importance décisive pour l'astronomie et la cosmologie.

SNR 0509-67, le vestige d'une ancienne supernova. Photo Nasa/ESA/STSCI.

Les supernovae sont de fabuleuses explosions stellaires. Ces événements sont aussi brefs que spectaculaires : une supernova peut-être observée par les astronomes pendant quelques semaines ou quelques mois, période durant laquelle l'éclat de l'explosion peut surpasser celui d'une galaxie entière... Il existe, en simplifiant un peu, deux grandes familles de supernovae (SN), celles de type II et celles de type Ia. Les SN de type II correspondent à l'explosion d'une étoile supergéante en fin d'évolution. Le coeur nucléaire de ces étoiles supergéantes, trop riche en fer et en nickel, cesse de produire de l'énergie et s'effondre sous son propre poids. Cet effondrement catastrophique produit une gigantesque onde de choc, porteuse d'une énergie colossale, laquelle traverse les millions de kilomètres de l'immense étoile, qui explose... Quelques heures durant, la « boule de feu » de l'étoile morte, se propageant à dix mille kilomètres/seconde, brille dans le cosmos comme cent millions de soleils...

Voilà pour les supernovae de type II. Et les SN de type Ia ? Fascinante et délicate question, que se posent les astronomes depuis les années 1930 et la découverte des supernovae... En effet, les SN Ia ont une importance cruciale pour la recherche astronomique et singulièrement, la cosmologie. En étudiant ces astres au fil des décennies, les chercheurs ont découvert qu'ils avaient une propriété remarquable : leur courbe de luminosité est corrélée à leur éclat maximal. Ainsi, en suivant de nuit en nuit le phénomène – une montée extrêmement abrupte de luminosité, puis le pic d'éclat, enfin une luminosité progressivement décroissante – il est possible de calculer l'éclat réel de la supernova, quelle que soit la région de l'Univers où elle est observée. Or, comme les SN Ia sont extraordinairement lumineuses - leur magnitude absolue approche M : -20, ce qui correspond à l'éclat de dix milliards de soleils ! - elles peuvent être observées à plus de dix milliards d'années-lumière de la Terre. Les supernovae de type Ia sont donc devenues, pour les astronomes, les plus fiables des « chandelles cosmiques », ces balises lumineuses qui permettent de mesurer les distances dans l'Univers. Et ce sont ces supernovae qui ont permis, au tournant du millénaire, de découvrir l'expansion accélérée de l'Univers, un phénomène qui a valu à Saul Perlmutter, Adam Riess et Brian Schmidt le Prix Nobel de Physique 2011. Bien sûr, les astronomes connaissent avec précision le processus physique qui amène le déclenchement de ces précieuses explosions stellaires ? Eh bien non ; en fait, non. Depuis des décennies, ils conjecturent que les SN Ia surviennent dans des couples stellaires en interraction. Très exactement, ils pensaient que dans un vieux couple stellaire, constitué d'une naine blanche, c'est à dire une « étoile éteinte » « dénucléarisée », si j'ose écrire, et d'une géante rouge - une vieille étoile à l'enveloppe gazeuse gigantesque – la naine blanche, minuscule et hyperdense, en attirant progressivement vers elle le gaz de l'enveloppe gazeuse de sa voisine, finissait par voir sa masse augmenter au point qu'elle s'effondre sur elle-même. Cet effondrement, en réamorçant les réactions nucléaires, provoquait l'explosion brutale et totale de l'étoile. Cette théorie, en apparence extrêmement solide, ne souffrait guère de discussion, même si elle n'était étayée par aucune observation. A la décharge des astronomes, relevons au passage que les supernovae ne sont pas faciles à observer : rares – il en explose quelques unes par siècle dans une galaxie comme la nôtre – elles sont toujours repérées à des distances énormes de la Terre. Mais quand même, la notoriété de ces étoiles mystérieuses, pourvoyeuses de Prix Nobel et faiseuses d'univers en expansion accélérée, emportés par une « énergie sombre » d'origine inconnue, a fini par attiser la curiosité des chercheurs. Dans les cafétérias de tous les observatoires du monde, la question revenait, lancinante : « On utilise les supernovae de type Ia comme chandelles cosmiques, mais au fond, c'est quoi, une supernova de type Ia ? ».

La réponse a de quoi laisser perplexe... Plusieurs équipes scientifiques, en effet, ont pointé leurs télescopes vers les lieux d'explosion de SN Ia afin de mieux discerner leur environnement immédiat. L'idée était toute simple : retrouver, au centre de l'explosion, marquée par l'immense corolle lumineuse expulsée par l'étoile morte, sa voisine, qui, d'après la théorie, aurait alimenté en combustible l'étoile naine blanche et provoqué son explosion. Alors Bradley Schaefer et Ashley Pagnotta ont pointé le télescope spatial Hubble vers SNR 0509-67, une supernova qui a explosé voici quatre siècles dans la galaxie du Grand Nuage de Magellan, à seulement 160 000 années-lumière d'ici (photo ci-dessus). Rien. Aucune étoile... Puis, l'équipe de Alicia Soderberg a entrepris une étude similaire, cette fois à propos de la supernova SN 2011 fe, qui a explosé l'année dernière dans la galaxie M 101 de la Grande Ourse, à 22 millions d'années-lumière d'ici (au sens strict, évidemment, l'explosion a eu lieu voici 22 millions d'années, mais ce décalage temporel n'a aucune importance, les astronomes l'ont suivi « en direct »). L'équipe de l'astronome américaine n'a pas lésiné sur les moyens : la supernova de la Grande Ourse a été suivie avec le réseau EVLA (Expanded Very Large Array) au Nouveau-Mexique, et avec les observatoires spatiaux Chandra et Swift... Verdict de Alicia Soderberg ? Le même que celui de Bradley Schaefer et Ashley Pagnotta : il n'y a rien, aucune étoile, sur le site de l'explosion de SN 2011 fe... Enfin, deux articles scientifiques à paraître en avril dans l'Astrophysical Journal, signés par Peter Brown et Brock Russel, parviennent à la même conclusion. Ces chercheurs Américains ont utilisé le satellite Swift, et ses télescopes ultraviolet et à rayons X, pour sonder l'environnement de plusieurs centaines de supernovae, dont une soixantaine de supernovae de type Ia. Conclusion, cette fois encore : pas la moindre trace d'étoiles sur les sites des explosions...

Du coup, les astronomes cherchent une alternative à la théorie du transfert de masse d'une étoile géante vers une naine blanche pour expliquer les SN Ia. Il en existe une : les SN Ia surviendraient lors de la collision et de la fusion de deux naines blanches tournant l'une autour de l'autre. Ces vieux couples stellaires, très serrés, dissipant une grande quantité d'énergie sous forme de marées gravitationnelles, spiraleraient progressivement l'un vers l'autre avant de fusionner et d'exploser intégralement, ne laissant pratiquement rien derrière eux. Les supernovae n'ont pas fini de passionner les astronomes. Leur importance cosmologique est telle qu'on ne peut laisser s'installer le moindre doute sur leur origine, ou leurs origines. Car si elles ont permis aux cosmologistes d'arpenter l'espace-temps au delà de dix milliards d'années-lumière, si elles ont permis de détecter l'accélération de l'expansion de l'Univers, les chercheurs attendent encore plus d'elles. La prochaine génération de télescopes, en effet, pourra peut-être les observer encore plus loin, au delà d'une douzaine de milliards d'années-lumière, aux parages du big bang. Les astronomes comptent beaucoup sur ces fantastiques chandelles cosmiques pour éclairer... l'origine du monde. 

Serge Brunier

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