Les secrets des explosions des naines blanches bientôt percés avec les ultraviolets ?

Un type extrêmement rare de supernova émettant un puissant flash d'ultraviolet augure d'une méthode pour percer la nature précise des SN Ia, dont on sait seulement avec certitude qu'elles impliquent des explosions de naines blanches. On pourra alors tenter de mieux comprendre l'énergie noire accélérant l'expansion de l'Univers et comment celui-ci crée des métaux lourds, tels que le fer.

En 1604, après Tycho Brahe en 1572, Johannes Kepler, autre célèbre bâtisseur du Ciel selon les termes des romans historiques de Jean-Pierre Luminet, observe une stella nova, ce qui signifie « nouvelle étoile » en latin, dans la constellation Ophiuchus. Aucun des deux astronomes ne peut alors comprendre de quoi il en retourne vraiment si ce n'est que l'observation met à mal la thèse aristotélicienne de l'immutabilité du monde supralunaire, ce qui par contrecoup questionne également la physique d'Aristote, pavant la voie à sa remise en cause par Galilée, Descartes puis Newton.

La nature des « nouvelles étoiles », en abrégé des novae, de Brahe et Kepler ne sera comprise qu'au XX^e siècle avec les développements d'une nouvelle physique après celle de Newton, celle des révolutions quantiques et relativistes. En effet, les deux astres observés, SN 1604 et SN 1572, sont des exemples de ce que l'astronome germano-américain Rudolph Minkowski et l'astronome suisse Fritz Zwicky vont appeler des supernovae SN Ia dans le cadre de leur fameuse classification. Or, une SN Ia fait intervenir l'explosion d'une naine blanche, une étoile dont l'existence nécessite pour être comprise aussi bien la théorie de la relativité restreinte que la mécanique quantique, comme l'a montré l'astrophysicien indien Subrahmanyan Chandrasekhar alors qu'il était âgé de seulement 20 ans lors d'un voyage en paquebot de Bombay vers l'Angleterre.

Les supernovae sont nettement plus lumineuses que les novae comme l'ont montré au cours des années 1930 les travaux de Walter Baade et Fritz Zwicky. Les SN II, comme celle de 1987 dans le Grand Nuage de Magellan, sont des explosions d'étoiles très massives résultant de leur effondrement gravitationnel. Leur luminosité est donc très variable. On pense que ce n'est pas le cas avec les SN Ia ou, pour le moins, nettement moins car l'explosion des naines blanches se ferait toujours lorsque leur masse, pour une raison ou pour une autre, devient de l'ordre de la fameuse masse limite calculée justement par Chandrasekhar lors de son voyage vers l'Angleterre, environ 1,44 fois celle du Soleil.

Une présentation de la supernova de Kepler, une SN Ia. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory

Les naines blanches et l'énergie noire

Or, il se trouve que comme du temps de Kepler, les SN Ia sont à l'origine d'une révolution en cosmologie et peut-être en physique. Les astrophysiciens ont pu utiliser ces explosions supposées quasi constantes en luminosité comme des chandelles standards, selon leur terme, ce qui leur permet d'estimer les distances des galaxies où elles se produisent et en conjonction avec des mesures de décalages spectraux, des variations de vitesse d'expansion du cosmos observable. À partir de la fin des années 1990, les cosmologistes en ont tiré la conclusion que cette expansion accélérait au lieu de ralentir depuis quelques milliards d'années. Une des explications de ce phénomène fait intervenir une nouvelle physique en rapport avec l'énergie du vide quantique et plus généralement ce que l'on a appelé l'énergie noire.

On cherche à déterminer la nature de cette énergie, cela permettrait peut-être de connaître le destin de l’Univers, mais pour cela ll faut mesurer le plus précisément possible l'expansion du cosmos ce qui nécessite de bien estimer la puissance des explosions des SN Ia. Malheureusement, plusieurs théories s'affrontent en fait sur le sujet et si elles reposent bien toujours sur la présence de naines blanches, des variations de leur luminosité intrinsèque sont possibles, notamment si les SN Ia sont parfois en fait des collisions de naines blanches.

Certaines choses semblent acquises cependant. Pour une raison ou pour une autre, des réactions de fusion thermonucléaire avec une fraction substantielle des noyaux de carbone et d'oxygène dans la naine blanche se produisent et ils fusionnent en éléments plus lourds en quelques secondes seulement. Une température de plusieurs milliards de degrés est atteinte et la luminosité de l'explosion devient de l'ordre de cinq milliards de fois celle du Soleil. Un isotope du nickel radioactif est synthétisé lors de cette explosion et il va produire par désintégration un isotope du cobalt puis du fer pendant plusieurs mois. L'essentiel de la lumière libérée par la SN Ia le sera d'ailleurs par ces isotopes radioactifs.

Image composite de SN2019yvq (point bleu) dans la galaxie hôte NGC 4441 (grand corps jaune au centre), qui est à près de 140 millions d'années-lumière de la Terre. © ZTF, Northwestern, Caltech

Des scénarios différents pour les SN Ia selon les flashs ultraviolets

Malgré tout, si l'on veut augmenter les chances de pouvoir comprendre la nature de l'énergie noire avec les instruments, dont l'humanité se dote actuellement et qui sont le télescope Euclide et le LSST (Large Synoptic Survey Telescope) aujourd'hui renommé Observatoire Vera-C.-Rubin (Vera C. Rubin Observatory), il faut pouvoir déterminer quelles sont les parts des différents scénarios conduisant à l'apparition des SN Ia afin de calibrer autant qu'il est possible ces chandelles standards.

Une piste possible pour aboutir à ce but peut provenir de l'étude des flashs d'ultraviolets comme celui associé à la supernova SN2019yvq, ainsi que l'explique une équipe d'astrophysiciens dans un article en accès libre sur arXiv. Il a été publié dans The Astrophysical Journal et il repose sur des observations faites dans une galaxie relativement proche, située à 140 millions d'années-lumière de la Voie lactée dans la constellation du Dragon, à l'aide de la Zwicky Transient Facility (ZTF). SN2019yvq a ensuite été étudiée plus en détail dans le domaine de l'ultraviolet des rayons X par l'observatoire Neil Gehrels Swift de la Nasa.

On ne connaît maintenant en fait que deux flashs ultraviolets intenses associés à une SN Ia. Là où les choses deviennent intéressantes, c'est que de tels flashs, toujours précoces, de quelques heures à quelques jours après le début d'une SN Ia, ont des caractéristiques différentes selon que la supernova est causée par une collision de naine blanche ou l'accrétion de la matière provenant d'une étoile compagne en mode géante rouge, arrachée par les forces de marée de la naine blanche selon le scénario le plus standard.

D'autres modèles avec flash UV ont été proposés et si l'on ne peut pas encore faire la différence entre les scénarios pour expliquer les SN Ia, les chercheurs pensent maintenant que l'étude de ces flashs UV devrait permettre très rapidement de parvenir à ce résultat.

On peut se faire une idée du pourquoi de l'intérêt de ces flashs précoces si l'on comprend que dans le cas standard, l'explosion thermonucléaire de la naine blanche éjecte une grande quantité de matière, et qu'il va se produire une onde de choc qui va la chauffer de sorte qu'elle brillera fortement en UV lorsque cette onde va entrer en collision avec l'étoile compagne de la naine blanche.

Mieux comprendre les SN Ia ne fera pas que nous aider à connaître la nature de l'accélération de l'expansion de l'Univers. En effet, on sait que ces explosions produisent de grandes quantités de fer qui vont se retrouver dans le milieu interstellaire où naîtront de futures étoiles entourées d'un cortège planétaire. On pense que la majorité des noyaux de fer sont synthétisés par les SN Ia mais la proportion reste à déterminer, ce qui devrait nous aider à comprendre la naissance de planètes avec un noyau ferreux, comme dans le cas de la Terre, dans la Voie lactée.