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Article. Enquête sur la mort d'une possible étoile supermassive
par Jean-Paul Baquiast 20/02/2002

 

SN 2007bi est à l'intersection des deux droites

On pourrait se demander pourquoi les astrophysiciens semblent s'intéresser subitement ces derniers mois aux objets stellaires hors normes étant apparus dans l'univers très jeune, peu après ce que l'on nomme encore le Big Bang. Nous venions ici d'évoquer les recherches menées au CEA par David Elbaz autour du quasar HE0450-2958 faisant suspecter le rôle de trous noirs géants dans la formation des galaxies primitives 1). Aujourd'hui, comme le relate le spécialiste de l'espace Stuart Clark dans un article du NewScientist (13 février 2010, p. 29) et sur son blog (http://www.stuartclark.com), c'est un autre phénomène hors norme, une supernova apparue en avril 2007, baptisée SN 2007bi et observée pendant la durée inusuelle de 555 jours, qui crée l'évènement (notre photo, crédit Dave Young). Cette supernova avait été détectée dans le cadre d'une recherche systématique informatisée menée à partir de l'observatoire Palomar, la Nearby Supernova Factory.

Deux raisons justifient cet intérêt. D'abord l'observation des supernovae s'impose d'elle-même du fait de leur caractère exceptionnel. On sait que les supernovae et autres quasars observables de la Terre sont rares. Elles remontent pour certaines d'entre elles à un univers plus jeune d'environ 13 milliards d'années par rapport à l'âge estimé de l'univers actuel. Il est donc normal de les étudier attentivement, avec toutes les techniques dont on dispose. D'autre part les supernovae apportent des indices importants concernant la composition en matière de l'univers jeune et la nature des premiers corps résultant de l'agrégation et de la condensation gravitationnelle des nuages de cette matière. On soupçonne aujourd'hui que ces corps, antérieurs à la formation des galaxies, étaient des étoiles supermassives ou supergéantes, contenant plusieurs centaines de masses solaires. Comme ces étoiles étaient rendues instables par leur masse et leur composition, il est important de comprendre ce qu'elles sont devenues et le rôle qu'elles ont pu jouer dans la formation ultérieure des galaxies. De plus, certains astrophysiciens posent la question de savoir si l'évolution de ces supergéantes ont eu un lien avec la brisure de symétrie matière-antimatière ayant intéressé  le plasma de l'univers primordial dans les micro-secondes après sa naissance, bien avant la formation des étoiles.

Revenons à la supernova SN 2007bi. Rappelons que 2 types de supernovae, ces flashs énergétiques très puissants et temporaires attribués à des explosions d'étoiles, avaient été identifiés jusqu'à présent. Les supernovae de type Ia correspondraient à la destruction d'une naine blanche à la suite de l'accrétion de matière provenant d'une étoile compagnon au sein d'un couple initial (étoile double) composé de deux étoiles de masse solaire. Les supernovae de type II correspondraient à l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives ayant dépassé leur état d'équilibre par épuisement de leur carburant, l'hydrogène. Le coeur résultant donne naissance à une étoile à neutrons ou à un trou noir. Un troisième type vient d'être envisagé tout récemment. Il est beaucoup plus intéressant. Les supernovae correspondantes été nommées Pair Instability Supernovae (PISNe). Elles répondraient à une prévision faite il y a plusieurs décennies par des astrophysiciens théoriciens.

Les PISNe

De quoi s'agit-il? Le site xmouse.org ( voir ci-dessous 2) donne les précisions suivantes. Dans le cas d’une étoile très massive dépassant les 100 masses solaires, les modèles prévoient que les photons gamma fabriqués par les réactions thermonucléaires dans son cœur peuvent donner naissance à des paires électron-positron c'est-à-dire à la création de matière et d’antimatière. Si ce processus devient important, la pression du flux de photons gamma sur les couches extérieures de l’étoile devient insuffisante pour s’opposer à la contraction de celle-ci sous l’effet de sa propre gravité. La contraction augmente le taux des réactions nucléaires. La production de photons gamma créateurs d’antimatière va encore être accrue et le processus s'emballe. En peu de temps le cœur de l’étoile explose avec création de divers noyaux lourds. L'énergie dégagée est considérable et devient visible à très longue distance. L'explosion ne laisse rien derrière elle sauf éventuellement un trou noir si l’étoile est suffisamment massive. Elle surpasse en intensité celle d’une supernova normale et devrait selon les modèles s’accompagner de la production d’une grande quantité de nickel radioactif, s'ajoutant à la grande quantité de matière éjectée. Le problème était qu'aucune de semblables supernovae de type PISNe n'avait encore été observée, avant la détection de SN 2007bi supposée répondre à cette définition.

En théorie, l'existence aux origines de l'univers d'étoiles supermassives susceptibles de donner naissance à de telles supernovae est généralement admise. Mais comment se seraient formées ces étoiles supermassives? On suppose qu'aux premiers temps de l'univers, les galaxies telles que nous les connaissons et les étoiles de type solaire n'existaient pas. Les étoiles supermassives peuplaient le cosmos. Initialement il n'y avait que de l'hydrogène, de l'hélium et des traces de lithium dans l'espace. Pour que les nuages correspondants s'effondrent sous le poids de la gravité pour former des étoiles, ils devaient rassembler beaucoup de ces gaz, contrairement aux nuages de gaz et de poussières plus récents et plus denses. Ils donnaient naissance en conséquence à des étoiles supermassives, contenant plusieurs centaines de masses solaires. Mais ces étoiles étaient condamnées à une vie très brève du fait de leur masse qui accélére les processus de fusion nucléaire. Elles consommaient leurs réserves d'hydrogène en quelques millions d'années. En explosant, elles ont donné naissance à tous les éléments lourds composant la matière actuelle. Il s'agit du phénomène décrit par le terme de nucléosynthèse stellaire, qui se manifeste d'ailleurs aussi en fin de vie des étoiles contemporaines. Personne jusqu'à présent n'avait pu identifier de telles étoiles supergéantes, puisque par définition elles étaient vouées à une fin rapide sans laisser de traces aujourd'hui visibles. Les étoiles d'aujourd'hui, constituées de quantités appréciables de métaux, ne peuvent pas dépasser la limite d'à peu près 150 masses solaires.

Or, comme le précise xmouse.org, plusieurs chercheurs, dont Peter Nugent et Avishay Gal-Yam estiment avoir identifié dans la supernova SN 2007bi la première signature concluante d'une PISNe. Les données fournies par le télescope Keck et le Very Large Telescope (VLT) ont montré qu’il s’agissait de l’explosion d’une étoile d’au moins 200 masses solaires avec une absence des raies de l’hydrogène et de l’hélium. Des simulations faites ultérieurement tendent à prouver qu'il s'agit bien d’une supernova de type pair-instabilité où ont eu lieu des créations de paires de particule-antiparticule génératrice d'instabilité.

Selon l'article, que nous citons: « Le cœur de l’étoile génitrice de SN 2007bi devait être en train de produire des quantités massives d’oxygène et être très chaud lorsque la création de paires a dominé l’évolution de l’étoile. L’explosion s’est accompagnée d’une création importante de nickel radioactif et, en se désintégrant, cet élément a rendu la matière éjectée particulièrement lumineuse pendant 555 jours. Il est intéressant de noter que cette supernova est apparue dans une galaxie naine, le genre de galaxie qui a dû naître en premier dans l’Univers riche en étoiles de type III, justement très massives et initialement dépourvues de métaux, c'est-à-dire sans noyaux au-delà du lithium ».

Une galaxie naine "fossile"

Mais comment dans un passé relativement proche, alors que le niveau des métaux présents dans les gaz cosmiques est trop élevé pour que la formation d'étoiles supergéantes soit possible, une telle étoile aurait pu apparaître? Ce serait sa présence dans une galaxie naine qui pourrait expliquer ce fait. SN 2007bi se trouve en effet dans une de ces galaxies naines, située à 1,6 milliards d'années lumière de la Terre. Une telle galaxie ne contient que quelques millions d'étoiles, au lieu des centaines de milliards contenus dans les grandes galaxies, Voie lactée ou Andromède. Les galaxies naines récentes sont relativement pauvres en métaux. C'était sans doute encore plus le cas en ce qui concernait les premières d'entre elles. On a suggéré que les galaxies naines actuelles pourraient être des fossiles de ce qui composait l'univers primitif. Elles auraient été préservées en l'état parce que du fait de la faible gravité régnant en leur sein, les productions de métaux lourds résultant des supernovae qui s'y produisaient auraient été rejetées loin dans le cosmos. Dans ces conditions, pourquoi n'auraient-elles pas hébergé, dans un passé proche voire de nos jours encore, des étoiles supergéantes du type de celles ayant peuplé le cosmos primitif. Nous pourrions alors les observer, notamment au moment où elles exploseraient en supernovae géantes. SN 2007bi pourrait être l'une de celles-ci.

Mais pourquoi en ce cas n'a-t-on pas constaté plus tôt de tels phénomènes, logiquement relativement nombreux? Pour une raison simple, selon Alexei Filipenko de Berkeley cité  par Stuart Clark: « Parce que les astronomes regardaient ailleurs ». Les temps de télescope sont précieux et ils s'intéressaient plus à la formation des étoiles dans les grandes galaxies qu'à ce qui pouvait se passer dans des endroits pauvres en étoiles, telle que la galaxie naine où vient d'apparaître SN 2007bi.

Ceci devrait changer maintenant, avec l'accélération des recherches robotisées de supernovae telles que le Palomar Transient Factory destiné à prendre la suite du Nearby Supernova Factory qui avait permis d'identifier SN 2007bi. Observer directement non plus des supernovae mais des étoiles supergéantes sera plus difficile. Cependant, avec le développement des recherches en ultra-violet confiées aux télescopes orbitaux, l'ultra-violet qu'elles émettent du fait de leur chaleur, jusqu'à présent caché par l'atmosphère terrestre, deviendra perceptible. Les astronomes comptent pour ce faire sur Hubble, malheureusement en fin de vie, et sur le futur James Webb Space Telescope de la Nasa qui sera lancé en 2014. Quant aux trous noirs supergéants pouvant résulter de l'effondrement de ces étoiles supergéantes, nous avons vu à propos des recherches de David Elbaz l'importance qui leur est attribuée dans la formation des galaxies récentes. Ces différentes observations devraient permettre de mieux comprendre le fonctionnement de l'univers primitif. On ne le retrouvera jamais tel qu'il était ailleurs, mais pourtant c'est lui qui d'une certaine façon a déterminé ce que nous sommes aujourd'hui.

Nous n'aborderons pas dans le cadre de cet article la question autrement plus complexe des annihilations matière-antimatière supposées se produire dans les Pair Instability Supernovae telles que, pense-t-on, SN 2007bi. Signalons cependant une observation faite récemment à propos d'un plasma de quark et gluons produit par le Relativistic Heavy Ion Collider, or RHIC, du Brookhaven National Laboratory . Il ne semble pas qu'il y ait de rapport avec ce qui se passerait dans une PISNe, mais sait-on? On pourra consulter à titre de première information le texte du New York Times sur ce sujet, cité en note 3).

Notes
1) Voir http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2010/104/elbaz.htm
2) Voir http://version2.xmouse.org/modules/news/article.php?storyid=798
3) Voir
http://www.nytimes.com/2010/02/16/science/16quark.html?pagewanted=1&sudsredirect=true


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