L’observation inédite d’une supernova particulière éclaire la formation des étoiles à neutrons binaires

Les étoiles à neutrons représentent un des stades possibles de l’évolution d’une étoile massive lorsque celle-ci, après avoir épuisé son combustible, s’effondre lors d’une supernova. Les étoiles à neutrons peuvent faire partie de systèmes stellaires binaires et, en 2017, les collaborations LIGO et Virgo ont observé la fusion de deux de ces objets via la détection des ondes gravitationnelles générées par l’événement. La formation de systèmes binaires d’étoiles à neutrons est encore mal connue ; toutefois, l’observation inédite d’une supernova inhabituelle pourrait apporter de nouveaux indices sur ce mécanisme de formation.

En octobre 2014, les astrophysiciens découvrent une supernova à effondrement de cœur (Type Ic) dans la périphérie d’une galaxie spirale située à 920 millions d’années-lumière de la Terre. L’événement, nommé iPTF 14gqr (SN 2014ft), a tout de suite attiré l’attention des scientifiques tant ses caractéristiques étaient inhabituelles. Les résultats de l’observation et leur analyse ont été publiés dans la revue Science.

Pour finir en supernova, une étoile doit être suffisamment massive ; les modèles théoriques estiment cette masse minimum aux environs de huit masses solaires. Une fois les réserves de combustible nucléaire épuisées, les réactions thermonucléaires cessent et la pression interne de l’étoile n’est plus suffisante pour s’opposer à la gravité et conserver un équilibre hydrostatique. Dès lors, le cœur de l’étoile s’effondre sur lui-même, générant une onde de choc rebondissant sur ce dernier et dispersant les couches périphériques de matière.

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Donc lorsque la supernova se produit, plusieurs masses solaires de matière sont éjectées dans l’espace. Néanmoins, ce n’est pas ce qui a été observé pour iPTF 14gqr. Seule une quantité de matière d’environ un cinquième de masse solaire a été dispersée. L’explosion et l’onde de choc résultante ont donc été particulièrement faibles.

« Nous avons vu l’effondrement du cœur de cette étoile massive, mais n’avons observé que très peu de masse éjectée » explique Mansi Kasliwal, astrophysicien au Caltech. « Nous appelons ceci une enveloppe de supernova ultra-dispersée, phénomène prédit depuis longtemps déjà. Cependant, c’est la première fois que nous observons clairement l’effondrement du cœur d’une étoile massive avec si peu de matière ».

Toutefois, l’étoile n’a pas toujours été privée de matière, puisqu’elle devait tout de même être suffisamment massive pour donner lieu à une supernova de Type Ic. Cela signifie donc que cette matière lui a été enlevée d’une autre manière. En se basant sur la puissance de la supernova, les astrophysiciens ont suggéré que l’étoile à neutrons devait avoir un compagnon — naine blanche, trou noir ou une autre étoile à neutrons — qui lui aurait subtilisé de la matière par accrétion avant la supernova.

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Les auteurs ont modélisé ce scénario avec un système binaire étoile à hélium-étoile à neutrons. Et, en analysant les données d’observation, ils ont effectivement détecté une enveloppe étendue riche en hélium autour de l’étoile, ainsi qu’un défaut d’hélium dans la matière éjectée par l’étoile lors de sa mort. Cela signifie que le compagnon binaire a dépouillé l’étoile de la quasi-totalité de sa couche d’hélium superficielle, qui a été éjectée avant la supernova, puis soufflée et dispersée dans l’espace au cours de l’explosion.

Ce phénomène constitue donc l’un des mécanismes possibles de formation des systèmes binaires d’étoiles à neutrons. Bien que cette observation d’une supernova à enveloppe ultra-dispersée soit la première, ces événements sont réputés être plutôt communs. La raison pour laquelle aucun n’a été détecté jusqu’à maintenant,  est qu’ils se produisent extrêmement rapidement.

« Ces explosions représentent probablement le seul moyen pour former des systèmes étoile à neutrons-étoile à neutrons ou étoile à neutrons-trou noir suffisamment compacts pour fusionner et produire des signaux observationnels joignant ondes gravitationnelles et rayonnements électromagnétiques. Sachant que seule une fraction des systèmes issus de ces explosions fusionnera en un temps acceptable, le taux de supernovas ultra-dispersées doit être supérieur à celui de leurs fusions » conclut l’étude.

Source : Science