Une équipe de chercheurs israéliens et américains découvre le cœur d’une supernova

Une équipe internationale dirigée par des scientifiques de l’Institut Weizmann des sciences et de l’université Northwestern affirme avoir découvert le cœur d’une supernova, une étoile massive en explosion, qui n’avait jamais été observé auparavant et qui était riche en éléments lourds tels que le silicium, le soufre et l’argon.

Les couches externes de l’étoile ont été soudainement arrachées, dévoilant le cœur incandescent de cette étoile massive, baptisée SN2021yfj, avant l’explosion.

« Nous avons désormais la preuve qu’il existe des éléments plus lourds à l’intérieur des étoiles », a déclaré au Times of Israel le Pr. Avishay Gal-Yam, directeur du groupe d’astrophysique expérimentale du département de physique des particules et d’astrophysique de l’Institut Weizmann.

« Nous savons que le Soleil contient principalement de l’hydrogène, et nous avions émis l’hypothèse que les étoiles contenaient des éléments plus lourds. Mais c’est la première fois que nous en avons la preuve. »

Le Dr. Ofer Yaron, chercheur au sein du groupe Gal-Yam et expert renommé en bases de données sur les supernovas, a également participé à cette étude, aux côtés du Dr. Steve Schulze, auteur principal, ancien membre de l’équipe Gal-Yam de l’Institut Weizmann et actuellement chercheur à l’université Northwestern, ainsi que de chercheurs français, italiens, chinois et irlandais.

Les résultats, publiés mercredi dans la revue Nature, ont fait la couverture de la publication scientifique.

Cette découverte a été faite deux mois après l’attaque de missiles iraniens dévastatrice contre l’Institut Weizmann, un centre de recherche de renommée mondiale situé à Rehovot. Personne n’a été tué, mais cette frappe a détruit près de 45 laboratoires, dont certains contenaient le fruit de toute une vie de recherche. Il faudra des années et des dizaines de millions de shekels pour les reconstruire.

« Heureusement, la faculté de physique a été épargnée », a déclaré Gal-Yam.

Une représentation artistique du scénario le plus probable pour la SN2021yfj. Vers la fin de sa vie, l’étoile mourante a subi deux épisodes rares et extrêmement violents, éjectant des coquilles riches en silicium (gris), en soufre (jaune) et en argon (violet). Ces coquilles massives sont entrées en collision violente, créant une supernova particulièrement brillante qui a pu être observée à une distance de 2,2 milliards d’années-lumière. (Crédit : Adam Makarenko/Observatoire Keck)

Une éruption solaire observée à 2,2 milliards d’années-lumière de la Terre

Les étoiles massives peuvent peser de dix à cent fois plus que notre Soleil. Malgré leurs dimensions immenses, elles s’effondrent toutefois en une fraction de seconde. La lumière vive émise lors de l’explosion est toutefois généralement visible pendant plusieurs semaines.

En septembre 2021, Schulze et ses collègues ont découvert l’éclat (initial) de la SN2021yfj à l’aide du Zwicky Transient Facility, un télescope situé à l’est de San Diego, en Californie, équipé d’une caméra à grand champ permettant de balayer tout le ciel nocturne visible. Après avoir examiné les données du télescope, Schulze a repéré un objet extrêmement lumineux dans une région de formation stellaire située à 2,2 milliards d’années-lumière de la Terre.

Pour en savoir plus sur cet objet mystérieux, Schulze et son équipe souhaitaient capturer son spectre, c’est-à-dire décomposer la lumière dispersée en ses composantes colorées, chacune correspondant à un élément chimique différent. En analysant le spectre d’une supernova, les scientifiques peuvent déterminer les éléments présents lors du cataclysme stellaire.

Des découvertes surprenantes sur cette étoile « dénudée »

Peu après avoir examiné le spectre, Schulze a contacté Gal-Yam, avec qui il travaille depuis une dizaine d’années, pour essayer de comprendre.

« J’ai identifié le silicium, le soufre et l’argon en quelques heures », a déclaré Gal-Yam.

« Il était évident que nous étions témoins d’un phénomène inédit. »

Les supernovas sont causées par le vieillissement d’étoiles massives qui se déchirent littéralement. À mesure que le noyau d’une étoile est comprimé sous sa propre gravité, il devient encore plus chaud et dense. La chaleur et la densité extrêmes réactivent alors la fusion nucléaire avec une telle intensité qu’elles provoquent une puissante explosion d’énergie qui expulse les couches externes de l’étoile.

Les étoiles massives perdent généralement plusieurs couches avant d’exploser. Des observations antérieures d’étoiles « dépouillées » avaient révélé la présence de couches d’hélium ou de carbone et d’oxygène, exposées après la perte de l’enveloppe externe d’hydrogène. Cependant, la supernova SN2021yfj a éjecté bien plus de couches externes, permettant ainsi aux scientifiques de pénétrer plus profondément dans le cœur de l’étoile et de détecter des éléments plus lourds.

« Cette étoile a perdu la majeure partie de la matière qu’elle a produite au cours de sa vie », a déclaré Schulze.

« Nous n’avons donc pu observer que la matière formée au cours des mois précédant son explosion. Quelque chose de très violent a dû se produire pour provoquer cela. »

L’équipe de chercheurs a émis l’hypothèse que la supernova avait pu être influencée par une étoile compagnon potentielle, une éruption massive pré-supernova ou même des vents stellaires exceptionnellement puissants.

« Observer les profondeurs d’une étoile géante élargit notre compréhension scientifique de l’origine des éléments lourds », a ajouté Gal-Yam.

« Chaque atome de notre corps et du monde qui nous entoure a été créé quelque part dans l’Univers », a-t-il poursuivi.

« Elle a traversé d’innombrables transformations pendant des milliards d’années avant d’arriver à son état actuel, ce qui rend extrêmement difficile de retracer son origine et le processus qui l’a créée. »

Gal-Yam a précisé que son groupe de recherche continuerait à se concentrer sur l’étude de la formation des éléments dans l’univers.

« C’est toujours surprenant – et extrêmement satisfaisant – de découvrir un phénomène physique totalement nouveau. »