Des astronomes affirment avoir observé pour la première fois la naissance d’un magnétar et confirment qu’il est à l’origine de l’extrême luminosité de la supernova au sein de laquelle il est né. Ce type de supernova dite « supraluminaire » compte parmi les objets les plus lumineux de l’Univers : la rotation du magnétar agit notamment comme un gigantesque accélérateur de particules. Ces particules percuteraient le nuage de matière expulsé par le noyau stellaire en effondrement, provoquant une augmentation significative de sa luminosité.
Découvertes pour la première fois dans les années 2000, les supernovas supraluminaires sont jusqu’à dix fois plus brillantes que celles ordinaires. Les astronomes supposaient alors qu’elles pourraient résulter de l’effondrement d’étoiles très massives d’environ 25 masses solaires. Cependant, leur pic de luminosité résultant de l’explosion (l’expulsion des couches externes de l’étoile) persiste beaucoup plus longtemps que ce à quoi on devrait s’attendre pour des étoiles de cette masse.
En 2010, Dan Kasen et Lars Bildsten, de l’Université de Californie à Berkeley (UC Berkeley), ont avancé la théorie selon laquelle des magnétars — un type d’étoiles à neutrons fortement magnétisées — pourraient être à l’origine de cette luminosité excessive et persistante. Lorsqu’une étoile massive épuise son combustible thermonucléaire et que son noyau s’effondre, elle concentre l’essentiel de sa masse en une étoile à neutrons extrêmement compacte d’environ une quinzaine de kilomètres de diamètre.
Si ce noyau effondré possédait déjà un puissant champ magnétique, celui-ci serait amplifié lors de la formation du magnétar, devenant notamment 100 à 1 000 fois plus intense que celui des étoiles à neutrons à rotation rapide standards, ou pulsars. Ces magnétars tourneraient comme des toupies, à des vitesses pouvant dépasser 700 tours par seconde.
Cette rotation rapide accélérerait suffisamment les particules chargées environnantes, lesquelles iraient à leur tour percuter le nuage de débris éjecté par la supernova, augmentant ainsi sa luminosité, à l’instar de ce qui se produit dans le disque d’accrétion d’un trou noir. Ces magnétars seraient également à l’origine de sursauts radio rapides.
L’équipe de l’UC Berkeley affirme avoir obtenu la confirmation du phénomène en analysant les données d’une supernova inhabituellement lumineuse observée en 2024, dans le cadre d’une récente étude. « Pendant des années, l’idée du magnétar a semblé presque relever du tour de magie des théoriciens : dissimuler un puissant moteur sous des couches de débris de supernova », explique Kasen dans un communiqué.
« C’était une explication naturelle à l’extraordinaire luminosité de ces explosions, mais nous ne pouvions pas l’observer directement. Le léger crissement du signal de cette supernova est comme si ce moteur levait le voile et révélait sa véritable existence », poursuit-il.
Une signature lumineuse en quatre temps
Pour analyser la supernova connue sous le nom de SN 2024afav, Joseph Farah, auteur principal de l’étude et doctorant à l’UC Santa Barbara (UCSB) et à l’Observatoire Las Cumbres (LCO), qui rejoindra l’UC Berkeley en tant que boursier postdoctoral Miller au sein du groupe de Kasen, a utilisé le réseau de 27 télescopes de l’observatoire. Située à environ un milliard d’années-lumière de la Terre, l’étoile a été suivie pendant plus de 200 jours afin d’analyser l’évolution de sa luminosité.
D’après les résultats publiés le 11 mars dans la revue Nature, la supernova a atteint son pic de luminosité environ 50 jours après l’explosion. Cependant, contrairement aux supernovas ordinaires, cette luminosité n’a pas diminué mais a oscillé lentement, dessinant une série de quatre pics distincts. Par analogie, cette oscillation serait comparable à celle d’un son dont la fréquence augmente progressivement, à la manière du chant d’un oiseau.
De telles séries de pics de luminosité ont précédemment déjà été observées chez d’autres supernovas, que des astronomes supposaient être le résultat de l’interaction entre les ondes de choc de l’explosion et les couches de matière entourant l’étoile. Cependant, aucune n’a jusqu’ici présenté quatre pics successifs.
Une nouvelle confirmation de la relativité générale
D’après Farah, les pics de luminosité de 2024afav s’expliqueraient par le fait qu’une partie de la matière issue de l’explosion est retombée vers le magnétar, provoquant la formation d’un disque d’accrétion. La matière éjectée par les supernovas étant généralement asymétrique, le disque d’accrétion l’est également par rapport à l’axe de rotation de l’étoile à neutrons. Il en résulte un désalignement entre l’axe de rotation de l’étoile à neutrons et celui du disque d’accrétion.
Selon la théorie de la relativité générale, un objet massif en rotation entraîne l’espace-temps avec lui. La rotation du magnétar provoquerait ainsi une oscillation de l’espace-temps environnant, produisant une précession de Lense-Thirring, phénomène au cours duquel le disque d’accrétion désaligné oscillerait.
Ce disque oscillant occulterait et réfléchirait périodiquement la lumière du magnétar, selon une périodicité qui diminuerait à mesure que le rayon du disque d’accrétion se réduit. À mesure que ce disque se rapproche du magnétar, son oscillation s’accélère, entraînant une variation de plus en plus rapide de la lumière à mesure qu’elle s’estompe, ce qui produirait les pics successifs observés par les télescopes.
« Nous avons testé plusieurs hypothèses, notamment des effets purement newtoniens et la précession induite par les champs magnétiques du magnétar, mais seule la précession de Lense-Thirring a permis d’obtenir une correspondance temporelle parfaite », a déclaré Farah. « C’est la première fois que la relativité générale est nécessaire pour décrire la mécanique d’une supernova », ajoute-t-il.
Des analyses supplémentaires ont estimé la période de rotation de l’étoile à neutrons à 4,2 millisecondes, tandis que l’intensité de son champ magnétique serait environ 300 000 milliards de fois supérieure à celle de la magnétosphère terrestre. Ces deux caractéristiques seraient typiques d’un magnétar, selon l’équipe de Farah.
« Je pense que Joseph a trouvé un élément de preuve convaincant », a affirmé le coauteur de l’étude, Andrew Howell, chercheur principal au LCO et professeur associé de physique à l’UCSB. « Il a intégré les irrégularités au modèle du magnétar et a tout expliqué grâce à la théorie la mieux éprouvée en astrophysique : la relativité générale. C’est d’une élégance remarquable. »
Ces résultats ne signifient toutefois pas que toutes les supernovas supraluminaires sont nécessairement alimentées par des magnétars, précisent les chercheurs. Leur excès de luminosité pourrait également résulter de l’onde de choc de l’explosion, ou d’un disque d’accrétion désaligné précédant l’effondrement de l’étoile en trou noir.
« Nous ne savons pas quelle fraction des supernovas superlumineuses de type I pourrait être alimentée par de la matière circumstellaire, mais c’est certainement une fraction plus petite que ce que nous pensions auparavant, car cette découverte en explique clairement une partie », conclut Alex Filippenko, professeur à l’UC Berkeley et également membre de l’équipe de recherche.
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