(a) Explosions de masse à proximité de Chandrasekhar :dans un système binaire d'une naine blanche composée de carbone et d'oxygène, l'accrétion de masse de l'étoile compagne (une étoile de séquence principale ou une géante rouge) provoque des vents de matière de la naine blanche, qui régule l'accrétion de masse sur la naine blanche, et augmente la masse de la naine blanche. Les ondes subsoniques de l'explosion au centre de la masse naine blanche proche de Chandrasekhar déclenchent une détonation à la périphérie. Cette explosion peut produire beaucoup de manganèse (Mn) et de nickel (Ni) ainsi que du fer (Fe). (b) Un exemple d'explosions de masse sub-Chandrasekhar :Dans un système binaire de deux naines blanches (au moins une naine blanche est constituée de carbone et d'oxygène), le plus petit est perturbé par les forces de marée et se confond avec le plus grand. Une détonation dans une fine enveloppe d'hélium autour de la naine blanche déclenche une détonation de carbone au centre. Cette explosion peut produire plus de silicium (Si) et de soufre (S), ainsi que le fer (Fe), et le carbone et l'oxygène non brûlés. Crédit :The Astrophysical Journal
Une équipe de recherche de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (Kavli IPMU) composée du chercheur invité Chiaki Kobayashi, Chercheur de projet à l'époque Shing-Chi Leung (actuellement au California Institute of Technology), et le scientifique principal Ken'ichi Nomoto ont utilisé des simulations informatiques pour suivre l'explosion, réaction nucléaire, fabrication d'éléments, et l'évolution des abondances élémentaires dans les galaxies. Par conséquent, ils ont imposé des contraintes strictes sur l'origine des supernovae de type Ia.
Une supernova de type Ia est un type de supernova qui n'est pas lié à la mort d'une étoile massive. Au lieu, une supernova de type Ia est une explosion lumineuse d'une étoile qui se produit dans un système binaire, où deux étoiles de masse relativement faible évoluent ensemble. En raison de leur luminosité relativement constante, Les supernovae de type Ia ont été utilisées comme "bougie" standard pour mesurer l'expansion de l'univers, un résultat pour lequel le prix Nobel de physique 2011 a été décerné. Cependant, l'étoile progénitrice d'une supernova de type Ia est inconnue, et fait débat depuis environ un demi-siècle.
"Comme d'habitude pour les supernovae normales, Les supernovae de type Ia produisent des « métaux » ou, en termes astronomiques, éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, la dernière paire traçant leur origine au Big Bang, mais les supernovae de type Ia produisent des éléments différents, comme le manganèse (Mn), nickel (Ni), et le fer (Fe). Ces abondances élémentaires peuvent être mesurées dans les caractéristiques spectrales des étoiles proches, qui conservent un « record » des supernovae du passé, comme le font les fossiles en archéologie, '' Kobayashi, qui est également professeur agrégé à l'Université du Hertfordshire au Royaume-Uni, mentionné. Par conséquent, l'évolution des abondances élémentaires dans les galaxies peut fournir une contrainte stricte sur la véritable origine des supernovae de type Ia.
Les étoiles progénitrices des supernovae de type Ia sont un type de naine blanche composée de carbone et d'oxygène. Les naines blanches se forment après la mort des étoiles de masse intermédiaire, où la pression de dégénérescence des électrons empêche l'étoile de s'effondrer sous sa propre gravité. Cependant, si une naine blanche dépasse sa limite de masse supérieure, également appelée limite de masse de Chandrasekhar (du nom du physicien Subrahmanyan Chandrasekhar), cela entraîne des réactions nucléaires qui la font exploser.
Par conséquent, dans un système binaire contenant une naine blanche de masse proche de Chandrasekhar, l'accrétion de masse d'une étoile compagne peut provoquer une explosion, qui est l'un des deux scénarios proposés (le "scénario dégénéré unique") pour les supernovae de type Ia. Dans l'autre scénario, deux naines blanches se forment dans un système binaire (le "scénario dégénéré double"), qui fusionnent pour provoquer une explosion, à savoir, une explosion de masse sub-Chandrasekhar.
Evolution de l'oxygène (à gauche) et du manganèse (à droite) dans le voisinage solaire de la Voie lactée. L'axe des abscisses montre la métallicité (abondance du fer par rapport à l'hydrogène), qui est une approximation du temps augmentant de gauche à droite. L'axe des ordonnées montre les abondances d'oxygène et de manganèse, par rapport au fer. Les points sont pour les abondances élémentaires observées dans les étoiles proches avec la spectroscopie à haute résolution. De la comparaison, on constate qu'au moins 75 pour cent des supernovae de type Ia sont des explosions de masse proches de Chandrasekhar. Crédit :The Astrophysical Journal
Pour étudier les deux cas, l'équipe de recherche effectue des calculs détaillés (simulations hydrodynamiques bidimensionnelles et nucléosynthèse) des explosions de masse proche de Chandrasekhar et sous-masse de Chandrasekhar, et calculé l'évolution de la Voie Lactée, quelque chose qui n'avait pas été fait dans les recherches précédentes.
« Entre ces deux cas, nous trouvons une différence critique dans l'évolution des abondances élémentaires, en particulier pour l'élément manganèse, '' expliqua Kobayashi. Dans la première simulation, l'explosion a fourni de la matière à haute température et à haute densité où beaucoup de manganèse a été produit, tandis que dans la deuxième simulation, il n'y avait pas une telle matière et donc pas assez de manganèse était produit.
L'équipe de recherche a ensuite incorporé la quantité de production de chaque élément chimique dans son modèle de galaxie pour prédire l'évolution des éléments de la Voie lactée. Par rapport aux données d'observation, à savoir, abondances élémentaires mesurées dans les étoiles proches par spectroscopie haute résolution, ils ont découvert qu'au moins 75 pour cent des supernovae de type Ia sont des explosions de masse proches de Chandrasekhar. Dans les deux cas, la recherche a trouvé, la masse de fer produite est à peu près la même, c'est-à-dire 60 pour cent de la masse du Soleil, ce qui est environ 10 fois plus gros que dans les supernovas normales des étoiles massives.
"L'évolution chimique des galaxies est puissante pour résoudre des problèmes de longue date en astrophysique nucléaire. Non seulement les abondances de manganèse mais aussi de nickel sont mises à jour dans nos calculs avec les dernières réactions nucléaires. Le nickel était surproduit dans les calculs précédents, mais maintenant l'abondance prédite est cohérente avec les observations, '' a ajouté Kobayashi. À la suite de leurs découvertes, le problème de surproduction de nickel est enfin résolu, après deux décennies d'études.
Plus intéressant, l'équipe de recherche a également montré qu'une contribution plus importante des explosions de masse sub-Chandrasekhar est préférée aux explosions de masse proches de Chandrasekhar d'après les observations disponibles dans différentes galaxies - galaxies sphéroïdales naines autour de la Voie lactée, par exemple.
Kobayashi et son équipe ont noté que les abondances élémentaires de millions d'étoiles seront obtenues avec des projets internationaux en cours et futurs, comme APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), HERMES-GALAH (Archéologie GALactique avec HERMES), WEAVE (WHT Enhanced Area Velocity Explorer), 4MOST (télescope spectroscopique multi-objets de 4 mètres), MSE (L'explorateur spectroscopique de Maunakea), dans le nouveau domaine de recherche « l'archéologie galactique, " ou l'étude de l'histoire de la Voie Lactée, et leurs résultats seront testés plus avant dans des recherches futures.
