A-t-on enfin retrouvé l’étoile à neutrons née de la supernova de 1987 dans le Grand Nuage de Magellan ?

La nébuleuse apparue autour de SN1987A, dans le Grand Nuage de Magellan. © Nasa/ESA/P. Challis
Où est le pulsar de la supernova 1987A, observée il y a plus de 30 ans dans le ciel austral ? Une équipe d’astronomes pense avoir enfin trouvé sa trace parmi les vestiges de l’étoile éclatée. Une découverte réalisée grâce au réseau de télescopes Alma, au Chili.

Il se cache depuis presque 33 ans au cœur des poussières qu’il a éjectées, mais il trahit aujourd’hui sa présence. Lui, c’est le reste hyperdense de la supernova SN 1987A, situé à 163 000 années-lumière de nous, dans le Grand Nuage de Magellan. Apparue dans le ciel austral le 23 février 1987, SN 1987A est la première supernova observable à l’œil nu des temps modernes, puisque la précédente, étudiée par Johannes Kepler, remonte à 1604. De cette explosion stellaire aurait dû naître un astre très dense : une étoile à neutrons, aussi appelée pulsar quand les faisceaux très énergétiques dont elle balaye l’espace croisent la Terre.

Mais voilà : dans les mois et les années qui ont suivi la supernova, pas le moindre signe de l’étoile à neutrons. En 1989, Jerome Kristian a cru détecter un pulsar tournant en moins de 1 milliseconde avec l’aide du télescope de 4 m de Cerro Tololo, mais il s’est rétracté l’année suivante. Depuis, plus rien. Or, aujourd’hui, l’équipe de Phil Cigan (université de Cardiff) annonce avoir trouvé ce qui pourrait être la trace de cette étoile à neutrons dont la théorie prévoit l’existence.

La preuve par les neutrinos

Si la supernova de 1987 constitue un tel Graal pour les astrophysiciens, c’est que sa relative proximité permet de tester précisément leurs modèles, et ce, depuis les premiers instants de l’explosion. Depuis 33 ans, les restes de l’explosion sont auscultés dans toutes les longueurs d’onde, mais surtout en infrarouge, dans lequel rayonnent les poussières éjectées.

Dans les premières heures, la détection de neutrinos et la courbe de lumière ont confirmé qu’il s’agissait d’une supernova de type II : l’explosion d’une étoile d’au moins 8 fois la masse du Soleil. L’astre en question a été retrouvé dans les archives. Il s’agit d’une supergéante bleue : Sanduleak –69° 202a, ou SK-69 202. Problème : habituellement, ce sont des supergéantes rouges qui explosent en supernova de type II. Mais le mystère a été résolu quand on s’est aperçu qu’un anneau de gaz équatorial entourait l’astre à 3 années-lumière. Il provenait de la matière éjectée 20 000 ans auparavant par SK-69 202. Deux autres anneaux furent découverts plus loin, le tout formant une sorte de sablier. La supergéante rouge s’est ainsi déshabillée en plusieurs fois pour devenir une supergéante bleue. De 19 masses solaires à l’origine, l’astre avait déjà perdu 5 masses solaires avant l’explosion. Tout collait… sauf que l’on ne parvenait pas à observer le reste dense de l’étoile défunte.

L’onde de choc de la supernova a illuminé l’anneau de débris qui entourait l’étoile au préalable. © NasaESA/R. Kirshner

L’émission de neutrinos indique que des protons se sont convertis en neutrons. Le résidu devait donc être une étoile à neutrons, voire un pulsar si son champ magnétique est assez intense. « On a supposé que, si on ne voyait pas ce pulsar, c’est que son faisceau ne pointait pas vers nous, ou encore qu’il s’était effondré rapidement en trou noir à cause de la matière qui lui est retombée dessus », évoque Paolo Esposito, de l’University School for Advanced Studies de Pavie (Italie). En 2009, une équipe de Hongkong a même proposé que, sous l’action de l’énorme flux de neutrinos (1057 !), l’étoile à neutrons se soit transformée en une étoile à quarks, un astre pour le moment hypothétique.

Des vestiges chauffés par le pulsar ?

Mais rien n’est venu corroborer l’une ou l’autre hypothèse. Au point que la recherche de ce résidu dense a été abandonnée… ou presque. Car aujourd’hui l’équipe de Phil Cigan relance la traque avec l’observatoire européen Alma, installé dans les Andes chiliennes. « La haute résolution d’Alma nous dévoile aujourd’hui ce qui se passe précisément au centre de la nébuleuse qui s’étend », se réjouit Patrice Bouchet, chercheur au CEA et co-auteur de l’article.

Le réseau d'antennes Alma, dans les Andes chiliennes. © ESO/C. Malin

Grâce à Alma, l’équipe a détaillé l’ensemble de l’éjecta issu de l’explosion. Elle a trouvé des poussières de différente taille créées 1 an et demi après l’explosion, quand la température a diminué suffisamment pour que les molécules se condensent. S’y côtoient celles riches en silicates et celles riches en carbonates, preuve que SK 69 202 était auparavant une étoile double qui a fusionné en éjectant de la matière sous forme de bulles sphériques. Vers le centre de l’éjecta, la température est assez basse, à peu près 20 kelvins (K). Mais on y voit aussi une sorte de goutte plus chaude (37 K) d’environ 10 000 UA sur 4000 UA.

L’origine de cette différence de température ? C’est la chaleur produite par la désintégration des éléments radioactifs, ont d’abord supposé les chercheurs. Depuis les premiers instants après l’explosion, c’est elle effectivement qui apporte de l’énergie au milieu. Pendant les deux premières semaines, le nickel 56 se transforme en cobalt 56, qui devient du cobalt 57 au cours des trois années suivantes qui, à son tour, se transforme en titane pendant 5 ans. Et toujours en émettant des rayons gamma caractéristiques.

Alma a permis d’obtenir une image détaillée du cœur de SN1987A. Le monoxyde de carbone apparaît en orange, l’hydrogène chaud en violet. La poussière qui masque l’étoile à neutrons est en bleu clair. © Cardiff University

Les chercheurs ont donc cartographié la présence de titane, mais elle ne correspond pas à la goutte chaude. Quelque chose d’autre la chauffe. « Ce peut être l’étoile à neutrons qui se cache derrière les poussières, mais qui continue à envoyer de l’énergie », avance Paolo Esposito. Deux mécanismes de chauffage sont possibles : soit les rayons X émis par la surface de l’objet dense ; soit un rayonnement synchrotron, comme cela a été observé dans la nébuleuse du Crabe, vestige de la supernova de 1054. Mais là encore, rien ne permet de trancher entre la présence d’une étoile à neutrons, d’un trou noir ou d’un objet plus exotique.

Un pulsar propulsé par l’explosion ?

Autre point d’interrogation : la localisation de la goutte. Elle n’est pas au centre, là où devrait se trouver l’étoile à neutrons. « Il est très possible que, quelle que soit la nature du résidu compact, celui-ci se soit déplacé, reconnaît Patrice Bouchet. C’est un effet de la réaction à l’explosion qui était asymétrique, comme une fusée accélère dans la direction opposée à l’éjection des gaz. »

Le gaz qui entoure SN1987A. En bleu et vert, le gaz chaud observé par le télescope Hubble. Le rouge correspond au CO froid vu par Alma. © Nasa/ESA/HST
Vue d’artiste de SN1987A et son environnement proche, d’après les observations réalisées avec Alma. © ESO/NAOJ/NRAO/A. Angelich

En effet, rien n’est symétrique dans cet embrouillamini de matière qui entoure le reste de supernova. L’explosion elle-même était asymétrique comme l’a montré, dès juin 1987, les observations spectroscopiques menées au Bochum Telescope à La Silla (Chili), un petit télescope de 61 cm. De plus, la supernova a engendré une onde de choc qui s’est propagée dans l’espace. Celle-ci a heurté la matière environnante jusqu’à illuminer l’anneau équatorial, et a créé une onde de choc en retour qui a modifié la densité des poussières et leur température. De chocs en contre-chocs, la matière s’est répartie de façon désordonnée, donnant cet air asymétrique visible aujourd’hui.

Quoi qu’il en soit, si la goutte cache bien le reste compact de la supernova, il est normal que les traqueurs du pulsar n’aient rien vu. Il fallait chercher au bon endroit. Mais l’aventure continue. En tant que coresponsable de l’instrument Miri, qui équipe le télescope James Webb, Patrice Bouchet dispose de 11 heures d’observation de l’astre mystère avec le futur télescope spatial (dont le décollage est prévu pour 2021). Avec l’espoir de découvrir sa nature réelle.

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