Les supernovas - les fins violentes de la vie brève mais brillante des étoiles massives - sont parmi les événements les plus cataclysmiques du cosmos. Bien que les supernovas marquent la mort des étoiles, ils déclenchent également la naissance de nouveaux éléments et la formation de nouvelles molécules.

En février 1987, les astronomes ont vu l'un de ces événements se dérouler à l'intérieur du Grand Nuage de Magellan, une minuscule galaxie naine située à environ 160, 000 années-lumière de la Terre.

Au cours des 30 prochaines années, les observations des restes de cette explosion ont révélé des détails inédits sur la mort des étoiles et sur la façon dont les atomes se sont créés dans ces étoiles, comme le carbone, oxygène, et de l'azote - se répandent dans l'espace et se combinent pour former de nouvelles molécules et de la poussière. Ces particules microscopiques pourraient éventuellement se retrouver dans les futures générations d'étoiles et de planètes.

Récemment, les astronomes ont utilisé l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) pour sonder le cœur de cette supernova, nommé SN 1987A. La capacité d'ALMA à voir des détails remarquablement fins a permis aux chercheurs de produire un rendu 3D complexe des molécules nouvellement formées à l'intérieur du reste de la supernova. Ces résultats sont publiés dans le Lettres de revues astrophysiques .

Les chercheurs ont également découvert une variété de molécules auparavant non détectées dans le reste. Ces résultats apparaissent dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .

"Quand cette supernova a explosé, il y a maintenant plus de 30 ans, les astronomes en savaient beaucoup moins sur la façon dont ces événements remodèlent l'espace interstellaire et les débris incandescents d'une étoile éclatée finissent par se refroidir et produire de nouvelles molécules, " a déclaré Rémy Indebetouw, astronome à l'Université de Virginie et au National Radio Astronomy Observatory (NRAO) à Charlottesville. « Grâce à ALMA, nous pouvons enfin voir la "poussière d'étoiles" froide lorsqu'elle se forme, révélant des informations importantes sur l'étoile d'origine elle-même et sur la façon dont les supernovas créent les éléments de base des planètes."

Les astronomes utilisant les données d'ALMA ont créé une image 3D de molécules forgées dans les restes d'une supernova, SN 1987A. Les zones violettes indiquent l'emplacement des molécules de monoxyde de silicium (SiO). La zone jaune est l'emplacement des molécules de monoxyde de carbone (CO). L'anneau bleu correspond aux données réelles de Hubble (hydrogène, ou H-alpha) qui a été artificiellement étendu en 3-D. Crédit :ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), R. Indebetouw; NASA/ESA Hubble

Supernovas - Star Death to Dust Naissance

Avant les enquêtes en cours sur SN 1987A, les astronomes ne pouvaient pas en dire plus sur l'impact des supernovas sur leurs voisinages interstellaires.

Il était bien entendu que les étoiles massives, ceux approximativement 10 fois la masse de notre soleil ou plus, mis fin à leurs jours de façon spectaculaire.

Quand ces étoiles manquent de carburant, il n'y a plus assez de chaleur et d'énergie pour lutter contre la force de gravité. Les confins de l'étoile, une fois soutenu par le pouvoir de la fusion, puis viennent s'écraser sur le noyau avec une force énorme. Le rebond de cet effondrement déclenche une puissante explosion qui projette de la matière dans l'espace.

En tant que point final des étoiles massives, les scientifiques ont appris que les supernovas ont des effets de grande envergure sur leurs galaxies d'origine. "La raison pour laquelle certaines galaxies ont l'apparence qu'elles ont aujourd'hui est en grande partie à cause des supernovas qui s'y sont produites, " a déclaré Indebetouw. " Bien que moins de dix pour cent des étoiles deviennent des supernovas, ils sont néanmoins la clé de l'évolution des galaxies."

Cette visualisation scientifique illustre l'évolution de la supernova 1987A depuis le gonflement initial de l'étoile hôte et de l'explosion de la supernova jusqu'à l'onde de choc en expansion et la formation de molécules détectées par ALMA dans le reste. Crédit :A. Angelich et B. Saxton, NRAO/AUI/NSF ; R. Indebetouw et al., A. Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA/STScI/CfA/R. Kirshner; NASA/CXC/SAO/PSU/D. Burrows et al.; ESO ; NASA/CXC/D.Berry/MIT/T.Delaney et al.; Laboratoire d'images conceptuelles NASA/Goddard Space Flight Center; ESO/C. Malin/B. Tafreshi/José Francisco Salgado. Musique :Géodésium

Dans tout l'univers observable, les supernovas sont assez courantes, mais comme ils apparaissent - en moyenne - environ une fois tous les 50 ans dans une galaxie de la taille de la Voie lactée, les astronomes ont très peu d'occasions d'en étudier un, de sa première détonation jusqu'au point où il se refroidit suffisamment pour former de nouvelles molécules. Bien que SN 1987A ne soit pas dans notre galaxie d'origine, il est encore assez proche pour qu'ALMA et d'autres télescopes puissent l'étudier dans les moindres détails.

Capture d'une image 3D du SN1987A avec ALMA

Depuis des décennies, radio, optique, et même des observatoires à rayons X ont étudié SN 1987A, mais l'obscurcissement de la poussière dans le reste a rendu difficile l'analyse du noyau le plus interne de la supernova. La capacité d'ALMA à observer à des longueurs d'onde millimétriques - une région du spectre électromagnétique entre la lumière infrarouge et radio - permet de voir à travers la poussière intermédiaire. Les chercheurs ont ensuite pu étudier l'abondance et la localisation des molécules nouvellement formées - en particulier le monoxyde de silicium (SiO) et le monoxyde de carbone (CO), qui brillent aux courtes longueurs d'onde submillimétriques qu'ALMA peut percevoir.

La nouvelle image et animation d'ALMA montrent de vastes nouveaux magasins de SiO et de CO de manière discrète, touffes enchevêtrées dans le noyau de SN 1987A. Les scientifiques ont précédemment modélisé comment et où ces molécules apparaîtraient. Avec ALMA, les chercheurs ont finalement pu capturer des images avec une résolution suffisamment élevée pour confirmer la structure à l'intérieur du vestige et tester ces modèles.

En plus d'obtenir cette image 3-D de SN 1987A, les données d'ALMA révèlent également des détails convaincants sur la façon dont ses conditions physiques ont changé et continuent de changer au fil du temps. Ces observations donnent également un aperçu des instabilités physiques à l'intérieur d'une supernova.

Nouvelles perspectives de SN 1987A

Des observations antérieures avec ALMA ont vérifié que SN 1987A produisait une quantité massive de poussière. Les nouvelles observations fournissent encore plus de détails sur la façon dont la supernova a produit la poussière ainsi que sur le type de molécules trouvées dans le reste.

"L'un de nos objectifs était d'observer SN 1987A dans une recherche aveugle d'autres molécules, " a déclaré Indebetouw. " Nous nous attendions à trouver du monoxyde de carbone et du monoxyde de silicium, puisque nous avions précédemment détecté ces molécules." Les astronomes, cependant, étaient ravis de trouver les molécules auparavant non détectées, le cation formyle (HCO+) et le monoxyde de soufre (SO).

"Ces molécules n'avaient jamais été détectées dans un jeune résidu de supernova auparavant, " a noté Indebetouw. " Le HCO+ est particulièrement intéressant car sa formation nécessite un mélange particulièrement vigoureux lors de l'explosion. " Les étoiles forgent des éléments en couches discrètes semblables à des oignons. ces bandes autrefois bien définies subissent un mélange violent, aider à créer l'environnement nécessaire à la formation de molécules et de poussières.

Les astronomes estiment qu'environ 1 atome de silicium sur 1000 de l'étoile explosée se trouve maintenant dans des molécules de SiO flottant librement. L'écrasante majorité du silicium a déjà été incorporée dans les grains de poussière. Même la petite quantité de SiO présente est 100 fois supérieure à ce que prédisent les modèles de formation de poussière. Ces nouvelles observations aideront les astronomes à affiner leurs modèles.

Ces observations révèlent également que dix pour cent ou plus du carbone à l'intérieur du reste se trouve actuellement dans des molécules de CO. Seuls quelques atomes de carbone sur un million se trouvent dans les molécules HCO+.

Nouvelles questions et recherches futures

Même si les nouvelles observations d'ALMA ont apporté un éclairage important sur SN 1987A, il reste encore plusieurs questions. Quelle est l'abondance exacte des molécules de HCO+ et de SO ? Y a-t-il d'autres molécules qui n'ont pas encore été détectées ? Comment la structure 3-D de SN 1987A continuera-t-elle à changer au fil du temps ?

Les futures observations d'ALMA à différentes longueurs d'onde pourraient également aider à déterminer quel type d'objet compact (un pulsar ou une étoile à neutrons) réside au centre du reste. La supernova a probablement créé l'un de ces objets stellaires denses, mais jusqu'à présent aucun n'a été détecté.