Les rayons X appuient la thèse du pulsar au cœur de la supernova de 1987

Les vestiges de SN1987A, dans le Grand Nuage de Magellan. © Nasa/ESA/P. Challis
L’enquête sur l’astre engendré par SN 1987A avance. L’explosion stellaire observée il y a 34 ans dans le Grand Nuage de Magellan aurait laissé un pulsar. Une équipe italienne l’affirme, grâce à des observations menées en rayons X.
Emanuele Greco

L’étau se resserre autour de la supernova du Grand Nuage de Magellan. Dans cette galaxie satellite de notre Voie lactée, cela fait maintenant 34 ans que les astronomes sont en quête d’un vestige. Un corps ultradense, une étoile à neutrons laissée derrière elle par la supernova observée en 1987. Baptisée SN1987A, celle-ci est la plus récente explosion d’une étoile massive vue à l’œil nu, et la première à se produire à l’époque des télescopes modernes. Classée supernova de type II, SN1987A doit avoir formé un résidu compact dans les ultimes instants précédant la déflagration. Une étoile à neutrons ? Un trou noir ? Faute d’observation directe de l’astre situé à 168 000 années-lumière et dissimulé au cœur du gaz et des débris dissipés par la supernova, la question n’a pas encore pu être tranchée. Mais elle prend aujourd’hui un tournant d’après l’équipe d’Emanuele Greco (université de Palerme). En combinant les observations réalisées entre 2012 et 2014 par les satellites Chandra et NuSTAR, tous deux sensibles aux rayons X émis par SN1987A, les chercheurs pensent avoir identifié une structure dénommée « nébuleuse de vent de pulsar » au sein de la supernova. Et donc une preuve indirecte de la présence d’un pulsar.

Nébuleuse de vent de pulsar

L’étoile à neutrons au cœur de SN1987A serait donc un pulsar, comme « la vaste majorité d’entre elles » selon Emanuele Greco. En plus d’être très chaudes — quelque 5 millions de degrés dans leurs plus jeunes années — résultant en un rayonnement thermique intense, ces étoiles à neutrons-là tournent très vite sur elles-mêmes. Au point de boucler un tour en quelques dizaines de millisecondes. Combinée au champ magnétique intense qu’elles génèrent, cette rotation a pour effet d’accélérer à des vitesses folles les particules chargées, comme des électrons, se trouvant dans le voisinage.

Première conséquence de cet effet appelé « synchrotron » : deux jets de lumière surgissent aux pôles de l’astre, à la manière des deux faisceaux d’un phare balayant la mer. L’astre pulse ; il passe au rang de pulsar. Deuxième conséquence : l’effet synchrotron affecte également les particules à des distances plus lointaines, au sein de la nébuleuse de gaz et de plasma qui englobe le pulsar central. En plus d’être chauffée par la chaleur de l’astre compact, la nébuleuse se met à luire en rayons X. C’est cette nébuleuse de vent de pulsar qui aurait été repérée par le jeune chercheur italien. Qui dit nébuleuse de vent de pulsar, dit pulsar. Et qui dit pulsar, dit étoile à neutrons.

Vue d'artiste du pulsar de SN1987A, de ses lignes de champ magnétique et de la nébuleuse de vent de pulsar qui l'entoure. © Nasa/CXC/Univ. di Palermo/E. Greco/INAF

Comparer rayons X et ondes radio

Affaire conclue ? Pas complètement. Car l’effet synchrotron décelé dans la supernova peut également résulter des chocs violents entre les débris de l’étoile défunte, en expansion à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde depuis 1987. Des collisions capables d’accélérer suffisamment les particules chargées, provoquant leur émission de rayons X. « Ce scénario, alternatif s’accompagne néanmoins d’émission d’ondes radio, cohérentes avec l’émission de rayons X », précise Emanuele Greco. Autrement dit, quand les ondes radio augmentent, les X aussi. Or, sur la période de 2012 à 2014, les ondes radio émises par SN1987A se sont intensifiées, mais l’énergie des rayons X est restée constante. Ce qui fait pencher la balance du côté d’une nébuleuse de vent de pulsar, décorrélée d’un rayonnement radio. « De nouvelles observations avec NuSTAR seront nécessaires pour suivre l’évolution de ces rayonnements au cours du temps, et confirmer pour de bon la présence d’une étoile à neutrons », concède le chercheur.

Photographiée en 2019 par le réseau d’antennes Alma, depuis le désert d’Atacama au Chili, SN1987A avait exhibé une nébuleuse de gaz particulièrement brillante, et donc chauffée de l’intérieur par un astre très énergétique, comme une potentielle étoile à neutrons. « Cette tache brillante pourrait en effet être ladite nébuleuse de vent de pulsar », commente Mikako Matsuura, astrophysicienne à l’université de Cardiff et co-autrice du cliché. « Mais d’autres processus peuvent expliquer la surbrillance du gaz, comme la chaleur produite par la décroissance radioactive d’une grande concentration d’éléments au centre de la tâche. Ce que l’équipe d’Emanuele Greco a trouvé est un excès d’émission de rayons X, qu’ils attribuent à l’effet synchrotron issu de la nébuleuse de vent de pulsar. Si tel est le cas, il sera bon de trouver une autre preuve que ce type de nébuleuse est en train de se former dans SN 1987A » ajoute-t-elle, suggérant que la question n’est pas complètement tranchée.

Au centre de la supernova de 1987, une tache diffuse et chaude renferme en toute probabilité une étoile à neutrons
© ALMA/P. Cigan and R. Indebetouw; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton; Nasa/ESA

Au cœur des autres supernovae historiques

Une nébuleuse de vent de pulsar est un processus pourtant bien identifié ailleurs. La nébuleuse du Crabe, dans la constellation du Taureau, résulte d’une explosion stellaire observée en 1054. En son sein, une majestueuse nébuleuse de vent de pulsar est bien visible se déployant sur près d’un tiers des vestiges de SN 1054. Cerise sur le gâteau, le pulsar du Crabe apparaît tel un point central brillant puisque, par chance, les faisceaux de ce phare céleste sont dirigés vers nous.

« Dans le cas de SN1987A, l’hypothèse selon laquelle le pulsar serait invisible à cause d’une orientation défavorable de ses faisceaux a été formulée, commente Mikako Matsuura. Mais il est trop tôt pour tirer cette conclusion. La quantité de poussière au cœur de SN1987A peut suffire à bloquer cette lumière. Et l’émission de lumière alentour est si intense qu’elle pourrait bien submerger celle du pulsar lui-même. »

Plus récentes, les deux supernovae relatées par Tycho Brahe (en 1572) et Johannes Kepler (en 1604) sont de type Ia. Une catégorie de supernova qui pulvérise l’étoile progénitrice, une naine blanche, sans laisser de résidu derrière elle. Dernier vestige connu parmi les plus célèbres des supernovae : l’étoile à neutrons de Cassiopeia A, apparue en 1680 à 11 000 années-lumière dans le ciel de l’hémisphère Nord. « Toutefois, cette étoile à neutrons n’est pas un pulsar. Elle n’émet que des radiations thermiques, sans aucune pulsation » conclut Emanuele Greco.

Vidéo montrant la structure du vestige de la supernova de 1987. © Nasa

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