Une puissante explosion nucléaire, appelée « hyperburst », observée pour la première fois dans une étoile à neutrons

L’étoile MAXI J0556-332 est une étoile à neutrons découverte en janvier 2011 grâce à sa première éruption de rayons X. Mais cette étoile, qui fait partie d’un système binaire, a toujours intrigué les scientifiques : elle affichait à l’époque une température beaucoup plus élevée que la normale pour ce type d’objet. Une équipe de l’Université nationale autonome du Mexique pense avoir trouvé une explication à cet échauffement atypique : une explosion nucléaire extrêmement puissante, appelée hyperburst, serait survenue au plus profond de cette étoile. C’est la première fois que des scientifiques collectent des preuves d’un tel phénomène.

Les étoiles à neutrons résultent de l’effondrement gravitationnel d’étoiles massives sur elles-mêmes, lorsqu’elles ont consommé tout leur combustible nucléaire. Les étoiles dont la masse est inférieure à la limite de Chandrasekhar se transforment quant à elles en naines blanches, tandis que les étoiles beaucoup plus massives donnent naissance à des trous noirs. Les étoiles à neutrons ont une vitesse de rotation très élevée. Lorsqu’elles font partie d’un système binaire, elles peuvent arracher de la matière à leur étoile voisine.

Cette accrétion de matière augmente la température de l’étoile et peut donner lieu à des émissions régulières de rayons X. Parfois, toutes les quelques années, des sursauts plus puissants surviennent ; ces « superbursts » sont générées à environ une centaine de mètres sous la surface de l’étoile et s’avèrent 100 fois plus énergétiques que les sursauts standards.

Dans le cas de l’étoile MAXI J0556-332, depuis la super explosion détectée en 2011, aucune autre éruption majeure n’a été détectée avant fin 2015. Des chercheurs pensent aujourd’hui que des émissions encore plus intenses se dérouleraient dans les profondeurs de l’étoile, à près de 500 mètres de la surface.

Des sources de chaleur peu profondes combinées à une source plus puissante

Ces « hyperbursts », comme on les appelle, sont trop profonds pour être détectées par les instruments d’observation. Mais une série de modélisations a montré que de telles explosions pourraient expliquer les températures extrêmes mesurées en surface de MAXI J0556-332. Dany Page et ses collègues de l’Institut d’Astronomie de Mexico ont modélisé l’évolution de cette étoile à neutrons, à partir des données obtenues pendant ses phases de « repos », après quatre explosions survenues au cours de la dernière décennie (en 2011, puis à la fin de 2012, fin 2015 et en 2020).

« Nous montrons que les données de refroidissement sont cohérentes avec une source unique de chauffage peu profond agissant pendant les trois dernières éruptions », écrivent les chercheurs. Mais l’équipe note qu’une autre source d’énergie « très différente et puissante » est nécessaire pour expliquer la température effective extrêmement élevée de l’étoile à neutrons (jusqu’à deux fois plus que la normale), lorsqu’elle est sortie de la première éruption observée en 2011.

Une étude antérieure s’est en effet penchée sur le processus de refroidissement de cette étoile après ses deux premières explosions. La première, survenue en janvier 2011, a duré près de 16 mois — l’étoile n’est ainsi revenue au calme qu’en mai 2012 ; pendant les quelques années qui ont suivi, elle est apparue exceptionnellement chaude comparée à d’autres étoiles à neutrons chauffées par accrétion et en cours de refroidissement. La seconde explosion, plus faible, survenue à la fin 2012, n’a en revanche pas impacté le processus de refroidissement. Les chercheurs évoquaient déjà à l’époque « des sources de chaleur peu profondes supplémentaires ou plus efficaces » dans la croûte de l’étoile pour expliquer l’échauffement anormal de 2011/2012.

Une autre équipe a analysé le refroidissement de MAXI J0556-332 observé après la troisième éruption (d’une durée de 4,5 mois, survenue en 2015) : un réchauffement de la croûte a à nouveau été observé après l’événement. Les chercheurs ont donc conclu que l’intensité du réchauffement peu profond de MAXI J0556-332 variait d’une éruption à l’autre, mais ils n’en connaissaient pas la raison.

Un événement rare… et probablement unique

Pour tenter de mieux cerner le phénomène, Page et son équipe se sont livrés à une nouvelle modélisation des données de refroidissement crustal de MAXI J0556-332, en y intégrant les données relevées après la fin du plus récent sursaut de 2020. « Nous soutenons que les températures élevées de la croûte causées par les explosions de 2011/2012 n’étaient pas le résultat d’un chauffage anormalement fort et peu profond, mais qu’elles ont été causées par une gigantesque explosion thermonucléaire qui s’est produite à un moment donné au cours des trois dernières semaines de cette éruption », écrivent-ils dans leur article.

Cette gigantesque explosion thermonucléaire provenant de la combustion instable d’isotopes d’oxygène ou de néon riches en neutrons, aurait libéré 10³⁷ J à des densités de l’ordre de 10¹¹ g/cm³. L’explosion générerait ainsi plus d’énergie en quelques millisecondes que notre soleil en 100 000 ans ! Selon les chercheurs, ces hyperbursts sont des événements extrêmement rares, car la constitution de la couche explosive nécessite environ un millénaire d’accrétion de matière.

Des événements rares, qui sont en outre particulièrement difficiles à détecter : malgré la quantité d’énergie libérée, en raison de sa profondeur, l’hyperburst n’a pas produit d’augmentation notable de la luminosité pendant la phase d’accrétion ; l’explosion ne peut être détectée que via son impact sur le refroidissement ultérieur de l’étoile, soulignent les chercheurs. L’étoile à neutrons doit donc avoir cessé d’accréter de la matière de sa voisine pour que la température de l’explosion soit perceptible. Cette combinaison de circonstances est si exceptionnelle qu’il pourrait bien s’agir de la seule hyperburst à laquelle nous assisterons jamais. Et si l’hypothèse soutenue par Page et ses collègues doit se vérifier, nous ne devrions effectivement plus jamais en observer.

Source : D. Page et al., arXiv