L'observation d'une race rare de supernovae superlumineuses - des explosions stellaires qui brillent 10 à 100 fois plus que la normale - laisse perplexe les astronomes. Repéré pour la première fois seulement au cours de la dernière décennie, les scientifiques sont déconcertés par l'extraordinaire luminosité de ces événements et leurs mécanismes d'explosion.

Pour mieux comprendre les conditions physiques qui créent la supernova superlumineuse, les astrophysiciens exécutent des simulations bidimensionnelles (2D) de ces événements à l'aide de superordinateurs au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique du ministère de l'Énergie (NERSC) et au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) qui a développé le code CASTRO.

"C'est la première fois que quelqu'un simule des supernovae superlumineuses en 2D ; les études précédentes n'ont modélisé ces événements qu'en 1D, " dit Ken Chen, astrophysicien à l'Observatoire national d'astronomie du Japon. "En modélisant l'étoile en 2D, nous pouvons capturer des informations détaillées sur l'instabilité et le mélange des fluides que vous n'obtenez pas dans les simulations 1D. Ces détails sont importants pour décrire avec précision les mécanismes qui rendent l'événement superlumineux et expliquer leurs signatures d'observation correspondantes telles que comme des courbes de lumière et des spectres."

Chen est l'auteur principal d'un Journal d'astrophysique article publié en décembre 2016. Il note que l'une des principales théories en astronomie postule que les supernovae superlumineuses sont alimentées par des étoiles à neutrons hautement magnétisées, appelés magnétars.

La façon dont une étoile vit et meurt dépend de sa masse - plus une étoile est massive, plus il exerce de gravité. Toutes les étoiles commencent leur vie en fusionnant l'hydrogène en hélium; l'énergie libérée par ce processus soutient l'étoile contre le poids écrasant de sa gravité. Si une étoile est particulièrement massive, elle continuera à fusionner l'hélium en éléments plus lourds comme l'oxygène et le carbone, etc, jusqu'à ce que son noyau se transforme en nickel et en fer. À ce stade, la fusion ne libère plus d'énergie et la pression de dégénérescence électronique entre en jeu et soutient l'étoile contre l'effondrement gravitationnel. Lorsque le noyau de l'étoile dépasse sa masse de Chandrasekhar - environ 1,5 masse solaire - la dégénérescence électronique ne supporte plus l'étoile. À ce point, le noyau s'effondre, produisant des neutrinos qui font exploser l'étoile et créent une supernova.

Cet effondrement du noyau de fer se produit avec une force si extrême qu'il brise les atomes de nickel et de fer, laissant derrière lui un ragoût chaotique de particules chargées. Dans cet environnement frénétique, des électrons chargés négativement sont poussés dans des protons chargés positivement pour créer des neutrons neutres. Parce que les neutrons constituent maintenant la majeure partie de ce noyau, ça s'appelle une étoile à neutrons. Un magnétar est essentiellement un type d'étoile à neutrons avec un champ magnétique extrêmement puissant.

En plus d'être incroyablement dense – une quantité de matière de la taille d'un cube de sucre provenant d'une étoile à neutrons pèserait plus d'un milliard de tonnes – elle tourne également jusqu'à quelques centaines de fois par seconde. La combinaison de cette rotation rapide, la densité et la physique compliquée du noyau créent des champs magnétiques extrêmes.

Le champ magnétique peut extraire l'énergie de rotation d'une étoile à neutrons et transformer cette énergie en rayonnement énergétique. Certains chercheurs pensent que ce rayonnement peut alimenter une supernova superlumineuse. Ce sont précisément les conditions que Chen et ses collègues essaient de comprendre avec leurs simulations.

"En faisant une simulation 2D plus réaliste de supernovae superlumineuses alimentées par des magnétars, nous espérons avoir une compréhension plus quantitative de ses propriétés, " dit Chen. " Jusqu'à présent, les astronomes ont repéré moins de 10 de ces événements; au fur et à mesure que nous en trouverons, nous pourrons voir s'ils ont des propriétés cohérentes. S'ils le font et nous comprenons pourquoi, nous pourrons les utiliser comme bougies standard pour mesurer la distance dans l'Univers."

Il note également que parce que des étoiles de ce massif peuvent facilement se former dans le cosmos primitif, ils pourraient fournir des informations sur les conditions de l'Univers lointain.

"Pour faire des simulations multidimensionnelles de supernovae superlumineuses, vous avez besoin de supercalculateurs (une grande puissance de calcul) et du bon code (y compris la microphysique pertinente). Il propose un défi numérique pour de telles simulations, cet événement n'a donc jamais été modélisé en 2D auparavant, " dit Chen. "Nous avons été les premiers à le faire parce que nous avons eu la chance d'avoir accès aux ressources NERSC et au code CASTRO."