Comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, il a fallu attendre les années 1930 pour que l'Humanité commence à comprendre non seulement qu'il existait plusieurs types d'étoiles nouvelles, des « stellae novaenovae » selon le mot de l'astronomeastronome Tycho Brahe, mais aussi leur vraie nature. Nous savons donc qu'il s'agit d'explosion d'étoiles dont la luminositéluminosité est transitoirement de l'ordre de grandeur d'une grande galaxie.

Un des moyens de classifier ces novae est de dresser leurs courbes de luminosité pendant plusieurs semaines. Si deux grandes classes ont été déterminées de cette façon, les astrophysiciensastrophysiciens découvrent parfois des variantes selon ce principe et en fonction également des spectres des éléments associés à ces explosions. Parfois, ces variantes sont tellement exotiquesexotiques que les chercheurs se demandent s'ils ne sont pas en présence de phénomènes cosmiques radicalement nouveaux. C'est le cas par exemple de deux explosions AT 2018cow et SNSN 2018gep qui ont été surnommées respectivement « the Cow » et « GEP ».

La courbe de lumière de la supernova SN 2018gep (GEP) montre qu'elle atteint rapidement une luminosité maximale plus élevée par rapport aux supernovae Ic ordinaires (lignes pleines). © Anna Ho (Caltech), Kavli IPMU

Tout récemment, le Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), à Tokyo, a mis en ligne un communiqué dans lequel il revient sur des publications faites dans The Astrophysical Journal par deux équipes internationales dirigées par deux des chercheurs associés à cet institut et qui pensent avoir réussi à trouver un modèle capable de rendre compte de ces deux supernovaesupernovae atypiques particulièrement brillantes et dont le pic de luminosité est atteint tout aussi particulièrement vite si l'on compare aux supernovae plus classiques. Une nouvelle classe de supernova est même avancée pour the Cow et GEP,  Fast Blue Optical Transient (FBOT) en anglais. Ce nom s'explique en raison de l'évolution très rapide de la courbe de luminosité et d'une brillance importante dans la couleur bleue et l'ultravioletultraviolet.

Shing-Chi Leung, Ken'ichi Nomoto et leurs collègues pensent qu'une partie de la solution théorique à l'énigme des FBOT fait intervenir des étoiles tellement massives et donc chaudes en leur cœur que des réactions avec de l'antimatièreantimatière peuvent prendre place.

Reprenons le texte avec quelques explications à ce sujet déjà fournies dans des articles de Futura.

Supernova AT 2018cow, surnommée la Vache en anglais. À gauche, suite à son explosion, The Cow a atteint son pic de luminosité le 20 juin 2018, étant beaucoup plus lumineux que le centre de la galaxie en haut à gauche. À droite, le 14 juillet 2018, The Cow était devenue moins brillante, seulement 1 % de la luminosité de la galaxie. © Daniel Perley (Liverpool J. M. University), Kavli IPMU)

Des supernovae à instabilité de paire

Il y a presque 50 ans, plusieurs astrophysiciens théoriciens ont prédit que certaines étoiles étaient instables à cause d'un phénomène bien décrit par les équationséquations de l'électrodynamique quantiqueélectrodynamique quantique. En effet, avec une paire de photonsphotons gamma suffisamment énergétiques, un calcul mené à l'aide des fameux diagrammes de Feynman, bien connus des spécialistes de la physiquephysique des hautes énergiesénergies, indique que des paires de particule-antiparticuleantiparticule peuvent être créées.

Dans le cas d'une étoile très massive dépassant les 100 massesmasses solaires, beaucoup des photons produits par les réactions thermonucléaires dans le cœur de ces étoiles sont dans le domaine gamma. Or, ils peuvent donner naissance chacun à une paire d’électron-positron s'ils possèdent suffisamment d'énergie. Il s'agit au fond d'une conséquence assez simple de la formule d'EinsteinEinstein, E=mc², l'énergie des photons étant convertie en la masse des deux particules.

Lorsque la création de matièrematière et d'antimatière selon ce processus devient importante, la pressionpression du flux de photons gamma sur les couches de l'étoile devient insuffisante pour s'opposer à sa contraction sous l'effet de sa propre gravitégravité, car une partie du rayonnement est convertie en une composante qui se comporte comme un mélange de gazgaz à plus faible pression. Or, cette même contraction va augmenter le taux des réactions nucléairesréactions nucléaires en chauffant le cœur de l'étoile. La production de photons gamma créateurs d'antimatière va encore être accrue et le processus devient instable lorsque l'étoile contient au moins 130-140 masses solaires (en dessous, il se produit des oscillations et l'étoile devient pulsante). Il s'emballe.

Un schéma illustrant la structure d’une jeune étoile massive, plus de 100 fois la masse du Soleil, comme devaient l'être les étoiles de première génération quelques centaines de millions d’années tout au plus après le Big Bang. Comme dans toutes les étoiles, la pression du gaz de particules, noyaux, électrons et photons est normalement en équilibre avec la pression causée par la gravité de l’étoile. Mais dans une étoile d’au moins 140 masses solaires, les photons gamma sont si énergétiques (les traits ondulés sur le schéma) qu’ils finissent par créer des paires d’électron et de positron, donc de l’antimatière. © Nasa, CXC, M. Weiss

La température ne va cesser de grimper et en très peu de temps le cœur de l'étoile, contenant un mélange de noyaux de carbonecarbone et d'oxygèneoxygène, va exploser du fait des réactions thermonucléaires qui se produisent alors en convertissant sa matière en noyaux lourds. Prend alors naissance un nouveau type de supernova baptisée Pair Instability Supernovae (PISNe), ne laissant aucun astreastre compact derrière elle (sauf éventuellement un trou noir si l'étoile est suffisamment massive, c'est-à-dire probablement au-delà de 260 masses solaires). L'explosion doit surpasser celle d'une supernova normale et s'accompagner de la production d'une grande quantité de nickelnickel radioactif en plus d'une grande quantité de matière éjectée.

Mais attention, si l'étoile est en quelque sorte annihilée, ce n'est pas la production d'antimatière qui en est responsable, les positronspositrons ne pouvant d'ailleurs pas annihiler les protonsprotons et les neutronsneutrons des noyaux de l'étoile. C'est bien le souffle de l'explosion, l'onde de choc produite, qui disperse totalement la matière de l'étoile génitrice de la PISNe.

Schémas illustrant le modèle théorique des explosions de type FBOT proposé par les astrophysiciens. En haut à gauche, une étoile massive subit de grandes pulsations dues à la création de paires électron-positron et éjecte de la matière qui forme une enveloppe autour d'elle. En haut à droite, l'étoile finit par exploser en produisant une onde de choc qui se propage à travers la matière circumstellaire. En bas à gauche, lorsque l'onde de choc atteint la surface de la matière circumstellaire, l'énergie cinétique est convertie en énergie thermique et ensuite en rayonnement produit par la matière puissamment chauffée. Alors la surface de la matière circumstellaire brille très fort. La majeure partie de la matière éjectée par l'explosion de la supernova se propage à des vitesses plus modérées. En bas à droite, la matière circumstellaire se dilate et s'estompe rapidement alors que l'éjecta de la supernova se dilate et s'estompe également, la luminosité de l'astre a donc largement chuté et l'enveloppe circumstellaire étant nettement moins dense, la lumière produite par l'éjecta perce à travers l'enveloppe devenue nettement moins opaque qu'initialement. © Shing-Chi Leung, Kavli IPMU

Le mécanisme avancé pour rendre compte des FBOT fait intervenir une supernova à instabilité de paire pulsante. Pour cela, on doit avoir une étoile d'environ 100 à 130 masses solaire par opposition à une supernova à instabilité de paire typique qui se produit dans des étoiles de masses supérieures. Là aussi, il y a création de paires électronélectron-positron mais l'étoile devient pulsante éjectant de 10 à 25 masses solaires environ, ce qui forme une enveloppe circumstellaire.

On se retrouve alors dans la situation illustrée sur les schémas ci-dessus et quand la masse de l'étoile passe en dessous des 100 masses solaires, la création de paires cesse et elle finira sa vie comme les supernovae et ou les hypernovaehypernovae plus classiques avec effondrementeffondrement de cœur.

Mais il reste encore du travail à faire pour confirmer cette théorie.

Un trou noir ou une supernova derrière la mystérieuse explosion cosmique “The Cow” ?

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 15/01/2019

Un flashflash très lumineux, observé le 16 juin 2018 dans le cosmoscosmos, a dérouté les astronomes. Le phénomène ne ressemble pas à une supernova classique. Il pourrait s'agir d'une naine blanchenaine blanche détruite par un trou noir de masse intermédiaire.

Au début des années 1930, les astrophysiciens, Walter Baade et Fritz Zwicky, prennent conscience qu'il faut introduire en astronomie une nouvelle catégorie de novae, ces étoiles transitoires très brillantes apparaissant une seule fois dans le ciel pour ensuite disparaitre à jamais ; certaines ont été observées par les bâtisseurs du ciel qu'étaient Tycho Brahe et Johannes KeplerJohannes Kepler. Le nom qu'ils proposent alors va faire fortune : supernova. En compagnie de Rudolph Minkowski, astronome et neveu du célèbre mathématicienmathématicien, Hermann Minkowski, Baade se rend compte que ces supernovae peuvent également être séparées en deux types, en fonction de leurs raies spectralesraies spectrales et des caractéristiques des courbes de lumièrelumière. D'autres divisions s'ajouteront mais ces travaux sont à l'origine de la classification moderne avec des SN II et les SN Ia.

Toujours dans les années 1930, Walter Baade et Fritz Zwicky comprennent, très peu de temps après la découverte par Chadwick du neutron en 1932, que certaines supernovae sont des explosions gigantesques. Elles accompagnent l'effondrement des étoiles qui vont devenir des étoiles à neutronsétoiles à neutrons. En 1938, Robert Oppenheimer exploite, avec son étudiant Volkoff, des résultats de Richard Tolman portant sur des sphères de fluides en relativité généralerelativité générale, et effectue les premiers véritables calculs sur le concept d'étoiles à neutrons. Dès 1939, ces deux chercheurs les présentent comme des noyaux atomiques qui auraient la taille d'une étoile. Avec un autre étudiant, Hartland Snyder, Oppenheimer étudiera ce qu'il advient de tels objets lorsqu'ils s'effondrent gravitationnellement, jetant au passage la base de la théorie des trous noirs.

Des astronomes utilisant des observatoires au sol ont suivi la progression d'un événement cosmique surnommé « la Vache », comme le montre cette image. À gauche : le Sloan Digital Sky Survey, au Nouveau-Mexique, a observé la galaxie hôte CGCG137-068 en 2003, la Vache n'étant nulle part en vue. Le cercle vert indique l'emplacement où la Vache est finalement apparue. Au centre : le télescope de Liverpool, situé dans les îles Canaries, en Espagne, a observé la Vache presqu'à sa luminosité maximale, le 20 juin 2018, alors qu’elle était beaucoup plus lumineuse que sa galaxie hôte. À droite: le télescope William Herschel, également aux îles Canaries, a pris une image haute résolution de la Vache près d'un mois après avoir atteint son maximum de luminosité, lorsqu'elle s'est estompée et que la galaxie hôte est redevenue visible. © Daniel Perley, Liverpool John Moores University

Aujourd'hui, les astrophysiciens, perplexes, s'interrogent sur l'interprétation à donner d'un bref flash de lumière. Il a été détecté par les yeuxyeux, en orbiteorbite de l'humanité, le 16 juin 2018, dans la galaxie CGCG 137-068, située à environ 200 millions d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée, dans la direction de la constellationconstellation d'Hercule. Baptisé AT2018cow ou « the Cow » (en français : la VacheVache), l'événement a été, en effet, observé depuis l'espace par les satellites SwiftSwift et Nustar, du côté de la NasaNasa, ainsi que par XMM-NewtonXMM-Newton et Integral, du côté de l'Esa. Tant dans le domaine X que gamma, des informations à son sujet sont disponibles. Mais, comme l'expliquait Futura dans l'article ci-dessous, on l'a d'abord découvert au sol avec des observations dans le visible à l'aide du télescopetélescope Atlas, à Hawaï.

Deux scénarios pour AT2018cow

De 10 à 100 fois plus brillant que les supernovae classiques, AT2018cow s'en distingue aussi par sa courbe de lumière qui n'évolue pas non plus comme on l'attendrait de l'une de ces explosions. Deux équipes d'astrophysiciens ont bien quelques idées pour expliquer le phénomène mais aucune ne semble cadrer, pour le moment, avec l'ensemble des données observationnelles.

AT2018cow dans, ou bien, à proximité d'une galaxie appelée CGCG 137-068, située à environ 200 millions d'années-lumière de la Terre dans la constellation d'Hercule. La croix jaune indique l'emplacement de cette explosion déconcertante. © Sloan Digital Sky Survey

Dans le premier cas, on serait en présence d'un scénario analogue à celui développé dans le journal Nature, en mars 1982, avec un article cosigné par Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter. En effet, ces chercheurs ont montré qu'une étoile pénétrant dans la zone définie par le rayon de maréemarée d'un trou noir supermassiftrou noir supermassif devait d'abord être aplatie comme une crêpe par les forces de maréeforces de marée. Dans un second temps, expliquaient-ils, des réactions thermonucléaires doivent se produire au sein de l'étoile, conduisant à des détonations capables de la disloquer. Le résultat final ressemblerait bien à une supernova atypique, voire même à un sursautsursaut gamma, comme l'ont montré, en 2010, des simulations numériquessimulations numériques de Matthieu Brassart et Jean-Pierre LuminetJean-Pierre Luminet, alors à l'Observatoire de Paris-Meudon.

Toutefois, AT2018cow s'est produit dans la bordure de la galaxie CGCG 137-068 alors que les trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs se trouvent généralement dans le cœur des galaxies. Cependant, on peut très bien faire intervenir un trou noir de masse intermédiaire qui se trouvait dans une galaxie nainegalaxie naine avalée il y a peu à l'échelle du cosmos, par  CGCG 137-068, ou encore dans l'un des amas globulairesamas globulaires en orbite, autour de la galaxie.

Ces amas sont riches en naines blanches. Mais, dans tout les cas de figure, comme l'explique cet article disponible sur arXiv, plusieurs des observations concernant AT2018cow s'expliquent bien si l'événement est, à la base, celui d'une dislocation d'une naine blanche de masse comprise entre 0,1 et 0,4 masse solaire, initialement transformée en crêpe stellaire par un trou noir intermédiaire de masse comprise entre 100.000 et un million de masses stellaires.

Mais, pour le second groupe de chercheurs (dont les travaux sont aussi en accès libre sur arXiv), des observations dans le domaine radio ne cadreraient pas avec l'hypothèse. Selon eux, une supernova, avec un effondrement gravitationnelle donnant un trou noir ou une étoile à neutrons, aurait bien été remarquée. Ce qui changerait un peu la donne est que l'on aurait observer les émissionsémissions d'un disque d'accrétiondisque d'accrétion nouvellement formé autour de l'astre compact. On aurait donc surpris la formation en direct d'un tel objet ! En fait, ce n'est pas la première fois que l'on pense percevoir un phénomène de ce genre ; à ce sujet, citons le cas de N6946-BH1 ou encore de SN 1979C.

Affaire à suivre...

Une mystérieuse explosion cosmique 10 à 100 fois plus brillante qu’une supernova

Article de Xavier DemeersmanXavier Demeersman publié le 05/07/2018

Un flash très lumineux observé le 16 juin dans le cosmos a dérouté les astronomes. Quelle peut être l'origine de cette puissante explosion qui a secoué une galaxie voisine ? Le phénomène ne ressemble pas à une supernova classique.

Le 16 juin dernier, des astronomes ont été témoins d'une puissante explosion dans l'univers local. Rapportée immédiatement à The Astronomer’s Telegram (le site permet aux astronomes de signaler rapidement de nouvelles observations intéressantes), la nouvelle s'est ensuite répandue dans le monde entier et plusieurs observatoires ont braqué leurs télescopes dessus. Les chercheurs n'avaient jamais rien vu de semblable jusqu'à présent. De quoi s'agit-il ? Pour l'instant, les scientifiques n'ont pas encore d'idées précises de ce qui est à l'origine du phénomène. Mais ils sont bien sûr passionnés par cette nouvelle affaire. Dix à cent fois plus brillant qu'une supernova, ce phénomène pourrait être un nouveau type d'explosion cosmique. Le moins que l'on puisse dire est qu'elle a beaucoup surpris et par son intensité et par sa rapiditérapidité.

Le flash désigné AT2018cow (dénomination aléatoire à trois lettres du site), et surnommé depuis The Cow (la vache), a été repéré dans le cosmos par les télescopes Atlas, de l'observatoire Keckobservatoire Keck, coutumiers de la chasse aux astéroïdesastéroïdes. Dans un premier temps, les chercheurs ont pensé que le phénomène était relativement proche de nous, originaire de la Voie lactée, mais ils se sont aperçus ensuite qu'il provient de la galaxie CGCG 137-068, dans la constellation d'Hercule, à quelque 200 millions d'années-lumière (cela s'est donc passé il y a 200 millions d'années).« Je n'ai jamais rien vu de tel dans l'universunivers local ! », a confié au Washington Post Stephen Smartt, de la Queen's University à Belfast.

Avant-après l’explosion de AT2018cow. Images du télescope Atlas. © Stephen Smartt, Atlas

Le puissant lait cosmique de The Cow

Les supernovae, qui sont parmi les évènements les plus puissants dans l'univers, ne sont pas rares. Il est possible d'en surprendre régulièrement au sein de galaxies à travers tout l'univers. Mais dans le cas de The Cow, ce qui la différencie notamment des explosions standard d'étoiles massives est qu'elle a atteint son pic de luminosité en seulement deux jours, là où il faut plusieurs semaines pour une supernova typique. Les astronomes sont donc plutôt déroutés par les faits.

Les premières observations du phénomène font état d'un brûlant nuagenuage à 9.000 °C qui se répand à plus de 20.000 km/s. Son spectre est « étonnamment lisse » ont indiqué les scientifiques, brillant de la même façon dans toutes les parties, à la différence aussi des supernovae. « Nous ne sommes pas encore sûrs de ce que c'est, mais le mécanisme d'alimentation normal d'une supernova est la désintégration radioactive du nickel, et cet évènement est trop brillant et trop rapide pour cela », a expliqué Kate Maguire, également de la Queen's University.

Le seul scénario considéré comme plausible pour l'instant, mais qui demande à être vérifié, est celui d'une supernova de type 1c, c'est-à-dire une supernova à effondrement de cœur qui aurait perdu ses manteaux d'hydrogènehydrogène et d'héliumhélium. Affaire à suivre. La collecte de données continue même si le lait de The Cow a commencé à se tarir. Pour l'instant, aucune trace n'a encore été trouvée d'éventuelles ondes gravitationnellesondes gravitationnelles.

Découverte d'une mystérieuse explosion cosmique

Article de Laurent Sacco publié le 30 mai 2007

Trop brillante pour être une nova et pas assez pour être une supernova, une explosion vient d'être détectée dans l'amas de la Vierge, plus précisément dans la galaxie dénommée M85 dans le catalogue de Messier. Il pourrait s'agir d'un phénomène astrophysiqueastrophysique théorisé depuis longtemps mais jamais observé, la collision de deux étoiles à enveloppe commune dans un système binairesystème binaire. Pour les astrophysiciens, en tous cas, il ne s'agit très probablement que de la partie émergée d'un iceberg correspondant à une nouvelle classe de phénomènes cosmiques.

Le phénomène, baptisé M85OT2006-1, a été découvert lors d'une campagne de détection de supernovae par des astronomes des universitiés de Berkeley et du Caltech, toutes les deux en Californie. Ils ont pour cela utilisé le Katzman Automatic Imaging Telescope dans le cadre du programme de recherche de supernovae de l'observatoire de Lick.

En fait, comme l'explique Shrinivas R. Kulkarni, l'un des auteurs principaux de l'article publié dans Nature au sujet de cette découverte, les astronomes étaient partis à la recherche d'autre chose que des supernovae à l'aide de différents télescopes sur la planète. Lui et ses collègues spéculaient sur des explosions causées par des collisions d'étoiles. Précisons tout de suite que ce genre de collision ne peut pas être entre étoiles isolées dans une galaxie. Même lors d'une collision entre deux galaxies, la distance moyenne entre les étoiles est en effet telle que la probabilité d'une rencontre est quasiment nulle. Il n'en est pas de même à l'intérieur d'un système binaire.

On sait depuis presque 20 ans que la majorité des étoiles vivent en couples et qu'elles donnent alors lieu à une grande variété de situations selon leurs masses respectives et les distances les séparant. Ainsi, si l'on trace le potentiel gravitationnel associé aux deux étoiles, il apparaît des zones en forme de larmeslarmes dites lobes de Roche. Si les couches supérieures d'une de ces étoiles dépassent, pour une raison ou pour une autre, la limite définie par les lobes de Roche, alors un transfert de matière vers l'autre étoile se produit. Pour une naine blanche associée à une étoile dépassant son lobe de Roche, la naine blanche accréterait alors de la matière en provenance de sa compagne, ce qui pourrait conduire à la formation d'une nova. De manière générale, on parle de binaire à contact dans le cas où les deux étoiles dépassent leurs lobes de Roche.

Les différents types de binaire, détachées, semi-détachées, à contact et enfin à enveloppe commune dans leur potentiel gravitationnel. Notez L1, le point de Lagrange 1( Crédit : Vik Dhillon, University of Sheffield).

Pour les astrophysiciens, l'événement M85OT2006-1, s'étant déroulé à 49 millions d'années-lumière de la Terre, résulterait de l'évolution d'une binaire à contact particulière dite aussi à enveloppe commune. Dans ce cas les deux étoiles ont leurs couches supérieures qui dépassent leurs lobes de Roche et l'une peut même être considérée comme orbitant à l'intérieur des couches de l'autre. Elle subit alors des forces de frictionfriction qui finissent par diminuer encore plus la distance séparant les deux étoiles. Le flash de lumière observé, intermédiaire entre celui d'une nova et celui d'une supernova, résulterait alors de la collision finale de deux étoiles à enveloppe commune.

Après les sursauts gamma, les novae et les supernovae, on aurait enfin découvert ce que les chercheurs ont baptisé les novae rouges lumineuses (Luminous Red Novae).