Une nouvelle méthode pour mesurer la température des atomes lors de la mort explosive d'une étoile aidera les scientifiques à comprendre l'onde de choc qui se produit à la suite de cette explosion de supernova. Une équipe internationale de chercheurs, dont un scientifique de Penn State, observations combinées d'un reste de supernova à proximité - la structure restant après l'explosion d'une étoile - avec des simulations afin de mesurer la température des atomes de gaz lents entourant l'étoile lorsqu'ils sont chauffés par le matériau propulsé vers l'extérieur par l'explosion.

L'équipe de recherche a analysé les observations à long terme du reste de supernova à proximité SN1987A à l'aide de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA et a créé un modèle décrivant la supernova. L'équipe a confirmé que la température même des atomes les plus lourds - qui n'avaient pas encore été étudiés - est liée à leur poids atomique, répondre à une question de longue date sur les ondes de choc et fournir des informations importantes sur leurs processus physiques. Un article décrivant les résultats paraît le 21 janvier 2019, dans la revue Astronomie de la nature .

"Les explosions de supernova et leurs restes fournissent des laboratoires cosmiques qui nous permettent d'explorer la physique dans des conditions extrêmes qui ne peuvent pas être reproduites sur Terre, " a déclaré David Burrows, professeur d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et auteur de l'article. "Télescopes et instruments astronomiques modernes, au sol et dans l'espace, nous ont permis d'effectuer des études détaillées des restes de supernova dans notre galaxie et les galaxies voisines. Nous avons effectué des observations régulières du reste de la supernova SN1987A à l'aide de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA, le meilleur télescope à rayons X au monde, depuis peu après le lancement de Chandra en 1999, et utilisé des simulations pour répondre à des questions de longue date sur les ondes de choc."

La mort explosive d'une étoile massive comme SN1987A propulse la matière vers l'extérieur à des vitesses allant jusqu'à un dixième de la vitesse de la lumière, poussant des ondes de choc dans le gaz interstellaire environnant. Les chercheurs s'intéressent particulièrement au front de choc, la transition abrupte entre l'explosion supersonique et le gaz relativement lent entourant l'étoile. Le front de choc chauffe ce gaz frais et lent à des millions de degrés, des températures suffisamment élevées pour que le gaz émette des rayons X détectables depuis la Terre.

"La transition est similaire à celle observée dans un évier de cuisine lorsqu'un jet d'eau à grande vitesse frappe le bassin de l'évier, s'écoulant doucement vers l'extérieur jusqu'à ce qu'il saute brusquement en hauteur et devienne turbulent, " a déclaré Burrows. " Les fronts de choc ont été largement étudiés dans l'atmosphère terrestre, où ils se produisent sur une région extrêmement étroite. Mais dans l'espace, les transitions de choc sont progressives et peuvent ne pas affecter les atomes de tous les éléments de la même manière."

L'équipe de recherche, dirigé par Marco Miceli et Salvatore Orlando de l'Université de Palerme, Italie, mesuré les températures des différents éléments derrière le front de choc, ce qui améliorera la compréhension de la physique du processus de choc. Ces températures devraient être proportionnelles au poids atomique des éléments, mais les températures sont difficiles à mesurer avec précision. Des études antérieures ont conduit à des résultats contradictoires concernant cette relation, et ont omis d'inclure des éléments lourds avec des poids atomiques élevés. L'équipe de recherche s'est tournée vers la supernova SN1987A pour aider à résoudre ce dilemme.

Supernova SN1987A, qui est situé dans la constellation voisine appelée le Grand Nuage de Magellan, était la première supernova visible à l'œil nu depuis la supernova de Kepler en 1604. C'est aussi la première à être étudiée en détail avec des instruments astronomiques modernes. La lumière de son explosion a atteint la terre pour la première fois le 23 février, 1987, et depuis lors, il a été observé à toutes les longueurs d'onde de la lumière, des ondes radio aux rayons X et aux ondes gamma. L'équipe de recherche a utilisé ces observations pour construire un modèle décrivant la supernova.

Les modèles de SN1987A se sont généralement concentrés sur des observations uniques, mais dans cette étude, les chercheurs ont utilisé des simulations numériques en trois dimensions pour intégrer l'évolution de la supernova, depuis son apparition jusqu'à l'âge actuel. Une comparaison des observations aux rayons X et du modèle a permis aux chercheurs de mesurer avec précision les températures atomiques de différents éléments avec une large gamme de poids atomiques, et de confirmer la relation qui prédit la température atteinte par chaque type d'atome dans le gaz interstellaire.

"Nous pouvons maintenant mesurer avec précision les températures d'éléments aussi lourds que le silicium et le fer, et ont montré qu'ils suivent en effet la relation selon laquelle la température de chaque élément est proportionnelle au poids atomique de cet élément, " a déclaré Burrows. "Ce résultat règle un problème important dans la compréhension des ondes de choc astrophysiques et améliore notre compréhension du processus de choc."