La plus brillante des supernovae livre ses secrets

La supernova SN2016aps a été vue à 3 milliards d‘années-lumière de distance. Illustration : © R. Sullivan/Flickr
Quatre ans après sa découverte, la supernova la plus lumineuse jamais détectée trouve une explication. Un scénario pour mieux comprendre le destin fatal des étoiles les plus colossales de l’Univers.

Lorsque le 22 février 2016, le télescope Pan-STARRS détecte SN2016aps depuis les hauteurs de l’île d’Hawaï, elle n’est qu’une petite tache de quelques pixels. Trois ans plus tard, les astronomes en sont convaincus, cette supernova a tout pour être la plus lumineuse jamais observée. Pour arriver à telle conclusion, l’équipe de Matt Nichol (université de Birmingham) s’est d’abord assurée que cet éclat très lointain provenait bien d’une explosion stellaire. C’est le cas.

Située à plus de 3 milliards d’années-lumière, la vive lueur ne peut être confondue avec d’autres formes de rayonnement puissant, comme celui du trou noir supermassif situé au cœur de certaines galaxies. « Presque 2000 années-lumière séparent la supernova du centre de sa galaxie hôte. Mais surtout, la galaxie en elle-même était trop peu brillante, et donc trop peu massive pour espérer abriter un trou noir suffisamment puissant », détaille Matt Nichol.

SN2016aps était plus brillante que sa galaxie hôte. © M. Nicholl et al., Center for Astrophysics Harvard
La supernova SN2016aps a été vue le 22 février 2016 par le télescope Pan-STARRS, à Hawaï. © R. Ratkowski/STScI

Parue en avril 2020 dans la revue Nature Astronomy, la découverte a été reçue avec intérêt par la communauté des physiciens stellaires. « C’est en effet une candidate sérieuse de supernova superlumineuse », selon Anne Lemière, de l’université Paris Diderot. L’explosion a dégagé au total « deux fois plus d’énergie radiative que la plus brillante supernova observée jusque-là », confirme Stéphane Blondin, astrophysicien à Santiago du Chili et spécialiste de ces SLSN, pour « superluminous supernovae ».

Cent fois plus lumineuse qu’une supernova classique

Une catégorie créée en 2011 dans laquelle on classe les plus éclatants de ces événements, mais dont on peine encore à connaître le type d’astres à son origine. « On compte aujourd’hui plusieurs dizaines de SLSN », évalue Jérôme Guilet, astrophysicien au CEA. « Pour entrer dans cette catégorie, le pic de luminosité doit être de l’ordre de 100 fois plus lumineux qu’une supernova classique, qui sont elles-mêmes un milliard de fois plus brillantes que le Soleil », ajoute le chercheur. Contrat rempli haut la main par SN2016aps.

Cependant, à lui seul, le pic de luminosité ne lui aurait pas forcément valu un record. Mais passé le flash initial, qui serait survenu en décembre 2015, SN2016aps a continué de briller pendant des années. Plus fort et plus longtemps que ses consœurs qui ont coutume de luire pendant quelques mois seulement. « Si SN2016aps avait explosé dans notre galaxie à la place de Bételgeuse [située à 640 a.-l., NDLR], elle serait encore aujourd’hui l’étoile la plus brillante du ciel nocturne. Soit plus de quatre ans après l’explosion ! » s’enthousiasme Matt Nichol. « Bételgeuse, elle, serait devenue invisible à l’œil nu au bout de six mois à un an. ».

L’éclat intrinsèque de la dernière supernova vue dans notre galaxie est également battu haut la main. « SN2016aps à son pic était 25 fois plus brillante que la supernova de Kepler en 1604, qui n’est restée brillante que quelques mois », ajoute le scientifique.

Scénario trois-en-un

Comment expliquer alors un tel dégagement de lumière de la part de SN2016aps ? « Pour les supernovae superlumineuses, on invoque en général trois mécanismes. L’intérêt de l’article de Matt Nichol est qu’il présente des observations qui pourraient faire intervenir ces trois mécanismes en même temps », commente Stéphane Blondin. Premièrement, quelques années avant que l’étoile explose, une grande quantité de matière s’est échappée de son enveloppe externe. Peu après l’explosion (due à l’effondrement du cœur de l’étoile), l’onde de choc de la supernova rattrape cette matière éjectée en amont, ce qui ravive l’éclat de la supernova. Deuxièmement, l’effondrement du cœur de l’étoile a instantanément créé un petit astre appelé magnétar. Tournant très vite sur lui-même, celui-ci dégage un intense champ magnétique, comme l’a montré l’équipe de Jérôme Guilet en mars 2020. Depuis le centre de la supernova, le magnétar injecte de l’énergie qui continue d’accélérer la matière vers l’extérieur, rendant la supernova encore plus énergétique. Troisième et dernier critère : l’étoile qui a explosé est ultra-massive : au moins 50 fois la masse du Soleil.

Étoiles monstrueuses

Matt Nichol. © DR

« Il y a de bonnes chances pour qu’en plus d’avoir observé la supernova la plus lumineuse, nous ayons également saisi la plus massive, où la matière éjectée représenterait jusqu’à 100 masses solaires », pronostique Matt Nichol. De telles étoiles géantes ne sont pas rares en soi, mais elles tendent à “maigrir” au cours de leur existence. Les vents stellaires soufflent continûment l’hydrogène qu’elles contiennent en direction de l’espace.

« L’étoile la plus massive connue est probablement R136a1 trouvée dans le Grand Nuage de Magellan, dans la nébuleuse de la Tarentule. Plusieurs estimations lui donnent plus de 300 masses solaires, mais sa masse décroît très vite. Elle doit passer en dessous de 50 avant la supernova », explique Matt Nichol. Une règle à laquelle SN2016aps a échappé. Comment ? « En refaisant le plein juste avant sa mort », répond en substance l’équipe britannique.

Selon elle, une fusion avec une autre étoile encore pleine d’hydrogène aurait précédé l’explosion. Cette hypothèse expliquerait également la grande quantité d’hydrogène mesurée dans SN2016aps, alors que cet élément est usuellement absent des supernovae les plus massives. « Cela fait beaucoup de ‘si’ et donc une probabilité minime de réalisation. Mais quand on a affaire à un cas unique comme celui-ci, on peut se permettre d’invoquer des hypothèses ‘à la marge’ » commente Stéphane Blondin. « D’un point de vue purement observationnel cependant, la découverte de telles supernovae ouvre la perspective d’en observer à très grand redshift [c.-à-d. très loin dans l’espace et donc il y a très longtemps, NDLR]. Cela permettrait en principe de sonder les explosions des toutes premières étoiles formées dans l’Univers », envisage le spécialiste.

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