Composite couleur de l'observatoire de Las Cumbres et du télescope spatial Hubble de la supernova de capture d'électrons 2018zd (le gros point blanc à droite) et de la galaxie hôte NGC 2146 (vers la gauche). Crédit :NASA/STSCI/J. Dépasquale; Observatoire de Las Cumbres
Une équipe mondiale dirigée par des scientifiques de l'UC Santa Barbara à l'observatoire de Las Cumbres a découvert la première preuve convaincante d'un nouveau type d'explosion stellaire :une supernova à capture d'électrons. Alors qu'ils ont été théorisés pendant 40 ans, les exemples du monde réel ont été insaisissables. On pense qu'ils résultent des explosions d'étoiles massives de la branche géante super-asymptotique (SAGB), pour laquelle il y a également eu peu de preuves. La découverte, Publié dans Astronomie de la nature , jette également un nouvel éclairage sur le mystère millénaire de la supernova de l'an 1054 qui était visible partout dans le monde pendant la journée, avant de devenir la nébuleuse du Crabe.
Historiquement, les supernovae se divisent en deux types principaux :l'effondrement thermonucléaire et l'effondrement du noyau de fer. Une supernova thermonucléaire est l'explosion d'une étoile naine blanche après avoir gagné de la matière dans un système stellaire binaire. Ces naines blanches sont les noyaux denses de cendres qui restent après qu'une étoile de faible masse (une jusqu'à environ 8 fois la masse du soleil) ait atteint la fin de sa vie. Une supernova avec effondrement du noyau de fer se produit lorsqu'une étoile massive - une masse de plus d'environ 10 fois la masse du soleil - est à court de combustible nucléaire et que son noyau de fer s'effondre, créer un trou noir ou une étoile à neutrons. Entre ces deux principaux types de supernovae se trouvent les supernovae à capture d'électrons. Ces étoiles arrêtent la fusion lorsque leurs noyaux sont constitués d'oxygène, néon et magnésium; ils ne sont pas assez massifs pour créer du fer.
Alors que la gravité essaie toujours d'écraser une étoile, ce qui empêche la plupart des étoiles de s'effondrer est soit la fusion en cours, soit, dans les cœurs où la fusion s'est arrêtée, le fait que vous ne pouvez pas emballer les atomes plus étroitement. Dans une supernova à capture d'électrons, certains des électrons du noyau oxygène-néon-magnésium sont écrasés dans leurs noyaux atomiques dans un processus appelé capture d'électrons. Cette élimination d'électrons provoque la déformation du noyau de l'étoile sous son propre poids et son effondrement, résultant en une supernova à capture d'électrons.
Si l'étoile avait été un peu plus lourde, les éléments centraux auraient pu fusionner pour créer des éléments plus lourds, prolonger sa durée de vie. C'est donc une sorte de situation Boucle d'or inversée :l'étoile n'est pas assez lumineuse pour échapper à l'effondrement de son noyau, il n'est pas non plus assez lourd pour prolonger sa vie et mourir plus tard par d'autres moyens.
C'est la théorie qui a été formulée à partir de 1980 par Ken'ichi Nomoto de l'Université de Tokyo et d'autres. Au cours des décennies, les théoriciens ont formulé des prédictions sur ce qu'il faut rechercher dans une supernova à capture d'électrons et leurs progéniteurs d'étoiles SAGB. Les étoiles devraient avoir beaucoup de masse, en perdre une grande partie avant d'exploser, et cette masse près de l'étoile mourante devrait être d'une composition chimique inhabituelle. Alors la supernova de capture d'électrons devrait être faible, ont peu de retombées radioactives, et ont des éléments riches en neutrons dans le cœur.
Impressions d'artiste d'une branche d'étoile géante super-asymptotique et de son noyau composé d'oxygène, néon et magnésium. C'est l'état final des étoiles autour de 8-10 masses solaires, dont le noyau est la pression supportée par les électrons. Lorsque le noyau devient suffisamment dense, le néon et le magnésium commencent à manger des électrons, réduire la pression du cœur et induire une explosion de supernova par effondrement du cœur. Crédit :S. Wilkinson; Observatoire de Las Cumbres
La nouvelle étude est dirigée par Daichi Hiramatsu, un étudiant diplômé de l'UC Santa Barbara et de l'Observatoire de Las Cumbres (LCO). Hiramatsu est un membre clé du Global Supernova Project, une équipe mondiale de scientifiques utilisant des dizaines de télescopes autour et au-dessus du globe. L'équipe a découvert que la supernova SN 2018zd avait de nombreuses caractéristiques inhabituelles, dont certains ont été vus pour la première fois dans une supernova.
Cela a aidé à ce que la supernova soit relativement proche - à seulement 31 millions d'années-lumière - dans la galaxie NGC 2146. Cela a permis à l'équipe d'examiner les images d'archives prises par le télescope spatial Hubble avant l'explosion et de détecter l'étoile progénitrice probable avant elle. a éclaté. Les observations étaient cohérentes avec une autre étoile SAGB récemment identifiée dans la Voie lactée, mais incompatible avec les modèles de supergéantes rouges, les progéniteurs des supernovae normales avec effondrement du noyau de fer.
Les auteurs ont examiné toutes les données publiées sur les supernovae, et a constaté que si certains avaient quelques-uns des indicateurs prédits pour les supernovae à capture d'électrons, seul SN 2018zd avait les six :un ancêtre apparent du SAGB, forte perte de masse pré-supernova, une composition chimique stellaire inhabituelle, une faible explosion, peu de radioactivité et un cœur riche en neutrons.
"Nous avons commencé par demander 'qu'est-ce que c'est que ce cinglé ?'", a déclaré Hiramatsu. "Ensuite, nous avons examiné tous les aspects de SN 2018zd et réalisé que tous peuvent être expliqués dans le scénario de capture d'électrons."
Les nouvelles découvertes éclairent également certains mystères de la supernova la plus célèbre du passé. En 1054 après JC, une supernova s'est produite dans la Voie lactée qui, selon les archives chinoises et japonaises, était si brillant qu'il pouvait être vu dans la journée pendant 23 jours, et la nuit pendant près de deux ans. Le reste résultant, la nébuleuse du Crabe, a été étudiée en détail.
Cette image composite de la nébuleuse du Crabe a été assemblée en combinant les données de cinq télescopes couvrant presque toute la largeur du spectre électromagnétique. Crédit :NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF et G. Dubner (Université de Buenos Aires)
La nébuleuse du Crabe était auparavant le meilleur candidat pour une supernova à capture d'électrons, mais son statut était incertain en partie parce que l'explosion s'est produite il y a près de mille ans. Le nouveau résultat augmente la confiance que l'historique SN 1054 était une supernova à capture d'électrons. Cela explique également pourquoi cette supernova était relativement brillante par rapport aux modèles :sa luminosité a probablement été artificiellement augmentée par les éjectas de supernova entrant en collision avec la matière rejetée par l'étoile progénitrice, comme on l'a vu dans SN 2018zd.
Ken Nomoto de l'IPMU Kavli de l'Université de Tokyo a exprimé son enthousiasme à l'idée que sa théorie ait été confirmée. "Je suis très heureux que la supernova de capture d'électrons ait finalement été découverte, que mes collègues et moi avions prédit pour exister et avoir un lien avec la nébuleuse du Crabe il y a 40 ans, " dit-il. " J'apprécie beaucoup les efforts considérables déployés pour obtenir ces observations. C'est un merveilleux cas de combinaison d'observations et de théorie."
Hiramatsu ajouté, "C'était un tel "moment eurêka" pour nous tous que nous pouvons contribuer à boucler la boucle théorique vieille de 40 ans, et pour moi personnellement parce que ma carrière en astronomie a commencé lorsque j'ai regardé les superbes images de l'Univers dans la bibliothèque du lycée, dont l'une était l'emblématique nébuleuse du Crabe prise par le télescope spatial Hubble. »
"Le terme Pierre de Rosette est trop souvent utilisé comme analogie lorsque nous trouvons un nouvel objet astrophysique, " a déclaré Andrew Howell, chercheur à l'observatoire de Las Cumbres et professeur adjoint à l'UCSB, "mais dans ce cas, je pense que c'est approprié. Cette supernova nous aide littéralement à décoder des enregistrements millénaires de cultures du monde entier. Et elle nous aide à associer une chose que nous ne comprenons pas entièrement, la nébuleuse du Crabe, avec une autre chose dont nous avons des disques modernes incroyables, cette supernova. Ce faisant, il nous apprend la physique fondamentale :comment sont fabriquées certaines étoiles à neutrons, comment les étoiles extrêmes vivent et meurent, et sur la façon dont les éléments dont nous sommes faits sont créés et dispersés dans l'univers. » Howell est également le leader du Global Supernova Project, et le doctorat de l'auteur principal Hiramatsu. conseiller.
