Dans le livre populaire « Cosmos » des années 1980, Carl Sagan a écrit à propos de ce qui nous fait : « Tous les éléments de la Terre, à l’exception de l’hydrogène et d’un peu d’hélium, ont été cuits par une sorte d’alchimie stellaire il y a des milliards d’années dans des étoiles, dont certaines sont aujourd’hui discrètes. naines blanches de l’autre côté de la galaxie de la Voie lactée. L’azote dans notre ADN, le calcium dans nos dents, le fer dans notre sang, le carbone dans nos tartes aux pommes ont été fabriqués à l’intérieur des étoiles qui s’effondrent. Nous sommes faits de ‘ truc d’étoile.' »
Chris Ashall, professeur adjoint d’astrophysique au département de physique du Virginia Tech College of Science, veut en savoir plus sur où et comment cette « starstuff » est fabriquée.
Cette semaine, Ashall a commencé à utiliser le télescope spatial James Webb de la NASA pour collecter des données sur la présence d’éléments lourds dans l’explosion d’étoiles mourantes, ou supernovae. Alors que le centre des opérations de mission basé à Baltimore de James Webb transmet les commandes au télescope distant pour recueillir des observations sur les supernovae ciblées par Ashall, son équipe de Virginia Tech étudiera les données collectées aux côtés de plus de 30 autres scientifiques du monde entier dans le cadre du Mid- Collaboration Infrared Supernova dirigée par Ashall.
Ashall est l’un des rares scientifiques sélectionnés pour utiliser le télescope pour deux projets au cours du premier cycle de la mission. Les projets étudieront deux types de supernovae : les supernovae de type Ia, qui décrivent l’explosion d’étoiles naines blanches carbone-oxygène, et les supernovae à effondrement de cœur.
« Presque tout ce qui nous entoure provient d’étoiles mourantes », a déclaré Ashall. « Nous sommes faits de poussière d’étoiles. Être capable d’étudier ce fait – de quoi nous sommes faits – en détail, et de comprendre d’où viennent les éléments qui nous entourent, est vraiment incroyable. »
Les étoiles produisent des éléments lourds par le processus de nucléosynthèse stellaire. Lorsque les étoiles brûlent, meurent et explosent, des réactions thermonucléaires se produisent à l’intérieur d’elles.
Les supernovae sont l’un des endroits où la température et la densité sont les plus élevées de l’univers, a déclaré Ashall. Le matériau des étoiles brûle et brûle pour former des éléments de plus en plus lourds, de l’hydrogène à l’hélium, de l’hélium au carbone, du carbone à l’oxygène, etc., tout au long du tableau périodique jusqu’au fer.
Lorsque les étoiles explosent enfin, elles rejettent tout ce matériau dans l’univers à des vitesses allant jusqu’à 30 % de la vitesse de la lumière pour créer la prochaine génération d’étoiles et de planètes. « C’est ainsi que la planète et tout ce qui nous entoure peut contenir tous ces éléments lourds », a déclaré Ashall. « Ils ont été fabriqués dans des étoiles mourantes. »
Il est largement admis que la plupart des éléments lourds de l’univers sont fabriqués par nucléosynthèse stellaire, mais Ashall veut en savoir plus – pour tracer des éléments particuliers aux variétés de supernovae là-bas et pour mesurer à quels niveaux ces éléments sont fabriqués par le étoiles.
Dans son premier projet, Ashall cherchera des éléments couramment trouvés sur Terre, tels que le manganèse, le chrome, le cobalt et le nickel, en focalisant le télescope James Webb sur une supernova Ia en particulier : une naine blanche de troisième génération intitulée SN2021aefx, qui a explosé il y a un an dans la galaxie spirale NGC1566, également connue sous le nom de Danseuse espagnole.
« Un an après son explosion, vous pouvez regarder et voir jusqu’au centre de la supernova », a déclaré Ashall. « C’est là que se produit toute cette combustion à haute densité. La nucléosynthèse se produit en quelques secondes seulement, mais nous voyons la région centrale à haute densité un an après l’explosion. »
Ashall utilisera le télescope pour collecter des données d’imagerie et de spectroscopie sur des éléments à l’intérieur de SN2021aefx. La spectroscopie consiste à examiner les spectres produits par un matériau lorsqu’il interagit avec ou émet de la lumière en décomposant la lumière en ses couleurs composantes, selon la NASA. « La spectroscopie nous renseigne sur différentes lignées élémentaires », a déclaré Ashall. « S’il y a une ligne, nous savons que l’élément est là. »
Le nouveau télescope de la NASA est le premier capable de collecter le type de données dont Ashall a besoin. James Webb peut observer dans des régimes de longueur d’onde que Hubble ne pouvait tout simplement pas, a déclaré Ashall.
« Hubble pouvait principalement observer dans l’ultraviolet, l’optique et un tout petit peu dans le proche infrarouge, mais James Webb était fait pour observer dans le proche infrarouge et le moyen infrarouge », a-t-il déclaré. « Cela ouvre une toute nouvelle fenêtre de longueur d’onde pour faire de l’astrophysique. »
Le deuxième projet d’Ashall se concentrera sur la détection du monoxyde de carbone et du monoxyde de silicium, également des éléments constitutifs de la vie dans l’univers, dans les supernovae à effondrement de cœur. Les supernovae à effondrement de cœur sont des étoiles massives mourantes de plus de huit fois la masse de notre soleil. Le nom de la supernova vient du type d’explosion qui se produit, a déclaré Ashall : lorsque l’étoile massive meurt, elle s’effondre sur elle-même et produit une explosion plus de 100 milliards de fois plus brillante que le soleil.
En utilisant les observations faites par le télescope spatial James Webb, Ashall s’efforcera non seulement de trouver des éléments lourds, mais aussi d’enquêter sur le moment où ils ont été éjectés par l’explosion de la supernova. Son équipe étudiera comment les supernovae explosent en associant les données à des simulations informatiques d’explosions.
« Lorsque nous mesurons ces lignes, nous pouvons déterminer les vitesses de l’explosion », a déclaré Ashall. « Alors nous comprendrons à quelle vitesse ces éléments sont projetés dans l’univers. »
En commençant par la supernova unique de type Ia, Ashall espère construire un échantillon de différentes variétés de supernovae pour produire des statistiques significatives sur leur rôle en tant que fabricants d’éléments. Il est ouvert à tout ce qu’ils trouveront.
« Si nous ne trouvons pas ces éléments provenant de supernovae, alors nous devons réévaluer ce que nous savons sur la façon dont les étoiles meurent et comment ces éléments sont libérés dans l’univers », a déclaré Ashall. « C’est intéressant de toute façon. »