Le ciel nocturne est plein de blips et d’éclairs, une mer de lumières en constante évolution. Certains de ces changements proviennent d’événements terrestres comme des avions qui passent au-dessus, mais certains proviennent de sources éloignées dans l’espace. Les astronomes recherchent ces phénomènes fugaces, connus sous le nom de transitoires astronomiques, en observant régulièrement le ciel et en recherchant les différences qui surviennent.
Les chercheurs ont récemment découvert un transitoire qui surpasse tous les autres – une supernova surnommée AT2020mrf. Ils ont décrit leur découverte dans un article publié et soumis au serveur de prépublication arXiv.org en décembre dernier Revue d’Astrophysique. Ils l’ont également présenté lors d’une conférence de presse virtuelle lors de la réunion 2022 de l’American Astronomical Society en janvier. Cette supernova a été l’une des morts d’étoiles les plus brillantes et les plus énergiques jamais observées, et elle peut fournir un rare aperçu de la naissance de certains des objets les plus étranges de l’univers à partir d’étoiles massives : les trous noirs et les étoiles à neutrons.
Les plus grandes stars meurent de façon spectaculaire. Ils explosent avec l’énergie d’un non-lion (c’est-à-dire un « 1 » suivi de 30 zéros) bombes nucléaires dans une supernova et brillent si fort que nous pouvons parfois même les voir dans le ciel nocturne à l’œil nu. AT2020mrf était 10 000 fois plus brillant en rayons X qu’une supernova typique. Il a suivi plusieurs autres événements superlumineux observés ces dernières années – les astronomes les ont surnommés supernovae « ressemblant à des vaches » ou « vaches » après la découverte du premier du genre : AT2018cow. Contrairement aux supernovae traditionnelles, les vaches brillent dans les rayons X à haute énergie et les émissions radio (la plupart des supernovae brillent le plus lumineux en lumière visible). Mais AT2020mrf était la vache la plus brillante du groupe – 20 fois plus brillante que l’originale.
Les astronomes Yuhan Yao et Shri Kulkarni, tous deux du California Institute of Technology, ainsi qu’Anna Ho de l’Université de Californie à Berkeley et Daniel Perley de l’Université John Moores de Liverpool en Angleterre, a repéré cette explosion pour la première fois en juin 2020 dans les images en lumière visible du Zwicky Transient Facility (ZTF), un télescope automatisé de l’observatoire Palomar de Californie. Le point lumineux qu’ils ont vu à l’origine semblait être quelque chose de banal, et les astronomes ont ignoré l’événement jusqu’à près d’un an plus tard.
En avril 2021, des scientifiques russes travaillant avec le groupe de Yao ont remarqué le même événement lors de l’examen des données de leur observatoire à rayons X Spectrum-Roentgen-Gamma (SRG). Leurs images de juillet 2020 montraient des rayons X au même endroit que le point lumineux dans les données ZTF. En entendant la nouvelle, l’esprit de Yao a sauté directement sur les mystérieux événements ressemblant à des vaches, car ils sont le seul type de supernova connu pour émettre autant de rayons X. Bien qu’un an se soit écoulé, l’explosion initiale d’AT2020mrf était si incroyablement brillante que Yao soupçonnait qu’elle pouvait encore la voir avec l’observatoire à rayons X de Chandra. Leurs calculs étaient corrects et les observations l’ont clairement montré, brillant 200 fois plus que la vache d’origine un an après l’explosion d’AT2020mrf.
« C’était vraiment très enrichissant quand SRG a vu cette source, parce qu’on l’aurait peut-être déjà pensé [cow-like events] peut être détecté en premier sur l’image radiographique », explique Yao. « C’est la première fois que vous êtes vraiment détecté aux rayons X. »
Les astronomes se demandent encore ce qui rend ces supernovae si spéciales. La théorie actuelle est que les vaches ont un « moteur central » très actif – quelque chose laissé par le noyau de l’étoile, comme un trou noir engloutissant de la matière ou une étoile à neutrons en rotation rapide alimentant la supernova. Ils ont également moins de matière enveloppant cette région centrale que la plupart des étoiles qui explosent, ce qui donne un aperçu de leur centre intéressant.
Les étoiles qui produisent des événements semblables à des vaches semblent cracher de la matière à l’approche de la mort, ce qui rend l’environnement qui les entoure plus dense et les étoiles elles-mêmes légèrement plus petites. Lorsqu’ils explosent, il y a moins de gaz à proximité immédiate du cœur de l’étoile, ce qui permet aux rayons X du propulseur central de s’échapper. L’onde de choc que la supernova envoie à travers l’espace environnant chauffe également l’environnement nouvellement dense, produisant l’émission radio observée par les astronomes. Yao pense que l’AT2020mrf était peut-être encore plus brillante que la plupart des vaches car elle perdait encore plus de masse, ce qui permettait au moteur central de se montrer si clairement dans les rayons X.
« AT2020mrf est en effet un événement passionnant, à la fois pour ce qu’il confirme sur la classe croissante de [cow-like objects] et ce qu’elle nous apprend sur la diversité de ces mystérieuses explosions stellaires », explique Brian Metzger, astrophysicien à l’Université de Columbia et au Center for Computational Astrophysics.
Avec seulement quatre événements de type vache connus à ce jour, AT2020mrf établit fermement ce groupe comme une nouvelle catégorie d’explosion. La récente explosion se démarque également de ses camarades de classe, montrant l’intrigante diversité des morts stellaires. Bien que les scientifiques aient une large compréhension de la façon dont les étoiles massives meurent, les détails sont encore flous. Cela est particulièrement vrai à certaines étapes de la fin de la vie d’une étoile, comme la phase de combustion du silicium, le dernier cycle de fusion qu’une grande étoile peut accomplir lorsqu’elle fusionne le silicium en fer. Cette période ne dure qu’environ 18 jours de la durée de vie d’un million à un milliard d’années de l’étoile. Les vaches pourraient fournir une fenêtre sur ces délais insaisissables et accroître notre compréhension de la façon dont les trous noirs et les étoiles à neutrons naissent en supernovae.
AT2020mrf et les autres vaches inspirent aussi tout simplement les scientifiques. « J’aime l’excitation de voir à quel point une source est différente de toutes les autres », déclare Yao. « Vous savez, peut-être qu’une fois dans votre vie, vous rencontrerez l’un de ces événements et vous devrez agir. Vous devez rester au courant des choses pour raconter l’histoire de l’objet. » Les futures observations avec l’observatoire Vera C. Rubin, une future centrale d’étude du ciel, et d’autres télescopes fourniront, espérons-le, aux astronomes encore plus d’informations à utiliser.