Les conséquences d’une supernova, l’explosion d’une étoile, sont généralement un nuage de gaz chaud qui disparaît lentement. Ainsi, lorsque les astronomes ont dirigé l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA vers la galaxie voisine Messier 83 (M83), ils ne s’attendaient pas à trouver des restes de supernova – des débris de ces explosions – qui auraient provoqué des changements spectaculaires dans leur luminosité. Les nouveaux résultats ont été présentés lors de la réunion de l’American Astronomical Society à Pasadena, en Californie, et publiés dans The Astrophysical Journal.
À environ 15 millions d’années-lumière de la Terre, la galaxie M83 forme des étoiles à un rythme élevé. Les chercheurs ont analysé 14 années de données Chandra sur la galaxie, de 2000 à 2014.
En utilisant ce vaste ensemble de données, les chercheurs ont découvert des variations spectaculaires dans la luminosité des rayons X de sources précédemment identifiées comme des restes de supernova. Les chercheurs ont prédit que les restes de supernova vieux de plus d’un siècle disparaîtraient progressivement dans les rayons X, mais que leur luminosité ne changerait pas de façon spectaculaire.
Résultat complètement inattendu, l’équipe a découvert que près de la moitié des 22 sources de rayons X associées aux restes de supernova dans leur échantillon avaient changé de luminosité au cours de 14 années d’observation.
“Nous savions que les sources de rayons X étaient très différentes”, a déclaré Andrea Prestwich de l’Université catholique d’Amérique, qui a dirigé l’étude. “Mais il était surprenant de constater qu’autant de restes de supernova se comportent de cette façon. Il se passe quelque chose d’inhabituel avec ces objets. La distance de M83 limite les détails que nous pouvons observer, donc en déterminer la cause reste un défi.”
L’explication de l’un des 22 restes variables de supernova est simple : SN 1957D, le débris de supernova observé pour la première fois il y a environ 70 ans, a pénétré le matériau entourant le site de l’explosion et a produit les rayons X observés. Mais cela ne peut pas expliquer le reste de l’échantillon. Rien ne prouve que les 22 vestiges aient été créés au siècle dernier. Une autre chose devrait être le moteur de la variabilité.
L’explication la plus probable est que l’équipe a découvert une population d’étoiles qui ont survécu à la destruction de leurs compagnes lors de l’explosion d’une supernova. Dans ce scénario, chaque source variable de rayons X commençait par une paire d’étoiles massives en orbite l’une autour de l’autre. Une étoile plus massive s’effondre et explose sous forme de supernova, laissant derrière elle un trou noir ou une étoile à neutrons superdense. Son partenaire a survécu.
“Cette galaxie peut contenir une collection de restes de supernova, où une étoile massive a survécu à une supernova et s’est verrouillée sur une orbite avec un trou noir ou une étoile à neutrons”, a déclaré le co-auteur Michael McCollough du Centre d’astrophysique. Harvard et Smithsonian (CfA). “Une étoile à neutrons ou un trou noir commencera à extraire de la matière de la surface d’une étoile massive.”
En raison de la forte gravité, le matériau entrant est surchauffé, produisant les rayons X détectés par Chandra. Ces types de systèmes, appelés systèmes binaires de rayons X de masse élevée (HMXB), comptent parmi les sources de rayons X les plus variables de l’Univers. Selon les chercheurs, cela pourrait être la raison des changements dans les restes de la supernova de M83.
Les astronomes connaissent les HMXB depuis des décennies, mais la différence dans ce groupe dans M83 est due aux restes de supernova. Seuls quelques restes de supernova associés aux HMXB ont été détectés lors d’observations précédentes à l’échelle de la galaxie. Trouver plus de 20 candidats solides dans une seule galaxie est sans précédent.
Les auteurs ont découvert que les restes variables de supernova ont tendance à se trouver dans des régions avec une concentration d’étoiles plus élevée que dans d’autres parties de la galaxie, ce qui soulève la possibilité d’un lien entre le reste et le HMXB.
Il existe une autre explication possible : un trou noir ou une étoile à neutrons pourrait récupérer une partie de la matière éjectée lors de l’explosion initiale au lieu d’extraire la matière de son étoile compagnon.
“Cela pourrait être un exemple de recyclage cosmique, où les débris de l’explosion retombent dans l’objet créé par la supernova”, a déclaré le co-auteur Roy Kilgard de l’Université Wesleyan. “Et ces deux explications sont possibles : les différentes sources de nos échantillons peuvent avoir des origines différentes.”
Ces résultats ne sont pas exclusifs à M83. Une étude de suivi de la galaxie M51, proche de formation d’étoiles, réalisée par le Vassar College et la scientifique de Kilgard, Zoe Hoyland, a révélé une population similaire de sources de rayons X variables associées aux restes de supernova, suggérant que de tels systèmes pourraient être caractéristiques de galaxies subissant une intense formation d’étoiles.
Les données Chandra de M83 ont commencé avec des observations uniques en 2000 et 2001, suivies de 10 observations de 2010 à 2011 et d’une autre en 2014.
Le Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, gère le programme Chandra. Le Chandra X-Ray Center du Smithsonian Astrophysical Observatory supervise les opérations scientifiques depuis Cambridge, dans le Massachusetts, et les opérations missionnaires depuis Burlington, dans le Massachusetts.
Cette version comprend une image composite de la galaxie voisine Messier 83, ainsi que des vidéos de courte durée de deux curieux restes de supernova qui s’y cachent.
Sur l’image composite, Messier 83, ou M83, est visible en vue directe sous la forme d’une structure en spirale. Au centre se trouve un bassin de lumière blanche et jaune étincelante. De cette lumière sortaient des tire-bouchons en spirale de nuages rose vif en arcs larges et rapides. La galaxie est enveloppée d’une légère brume grise, parsemée de points rouges, verts, bleus, blancs et jaunes.
Dans la version annotée de l’image composite, les deux petits points en bas à droite du centre sont mis en évidence par des cercles blancs. Ce sont les deux restes de supernova que les chercheurs étudient. Chacun est couvert en détail dans une vidéo accélérée distincte.
Pendant 14 ans, de 2000 à 2014, les astronomes ont dirigé l’observatoire à rayons X de la NASA vers la galaxie M83. Ils ont découvert qu’environ la moitié des sources de rayons X, considérées comme des restes de supernovae, résultant de l’explosion d’étoiles, changent radicalement de luminosité. Ce résultat était complètement inattendu.
Ces changements d’éclairage sont mis en évidence dans des vidéos time-lapse. Chaque vidéo présente une série d’images statiques focalisées sur l’une des deux sources de rayons X considérées comme les restes d’une ancienne supernova. Dans la vidéo, les sources de rayons X apparaissent sous forme de bulles bleu vif avec des noyaux lumineux. Mais à chaque photo prise à des mois ou des années d’intervalle, les motifs changent, comme l’intensité du bleu et la clarté de la rivière. En montrant différentes images du même objet les unes après les autres, des vidéos de courte durée sont créées.
L’explication la plus probable du changement de luminosité est que l’équipe a découvert une population d’étoiles qui ont survécu à la destruction de leurs compagnons en orbite lors d’une explosion de supernova. La matière est extraite de l’étoile survivante vers le trou noir ou l’étoile à neutrons de la supernova, un processus qui provoque des changements rapides dans la luminosité des rayons X.
En savoir plus sur l’observatoire de rayons X Chandra de la NASA
Pour en savoir plus sur la mission Chandra de la NASA, visitez :
https://science.nasa.gov/chandra
Megan Watzke
Centre de radiographie Chandra
Cambridge, Mass.
617-496-7998
mwatzke@cfa.harvard.edu
Joël Wallace
Centre de vol spatial Marshall, Huntsville, Alabama
256-544-0034
joel.w.wallace@nasa.gov