Les trous noirs stellaires naissent-ils sans supernova ?

L'étoile N6946-BH1 avant et après sa disparition du ciel, sans doute par effondrement en trou noir. © Nasa/ESA/C. Kochanek (OSU)
Depuis qu’ils ont observé une explosion d’étoile avortée en 2009, des astronomes américains sont convaincus d’avoir mis au jour un processus qui donne naissance à des trous noirs. Contrairement aux idées reçues, les étoiles massives qui en sont à l’origine n’exploseraient pas en supernova.

La supernova atypique apparue en mars 2009 dans la galaxie NGC 6946, à seulement 18 millions d’années-lumière, restera peut-être dans l’histoire de l’astronomie. En effet, elle pourrait être celle grâce à laquelle les astronomes ont découvert comment naissent les trous noirs stellaires.

Son observation, si elle constitue une aubaine, ne doit rien au seul hasard. Car l’équipe de Christopher Kochanek, de l’université d’État de l’Ohio, avait entrepris une surveillance de plusieurs galaxies afin de saisir précisément l’apparition d’une supernova avortée. Autrement dit, d’une explosion d’étoile massive qui, au lieu d’illuminer sa galaxie pendant des mois, tourne rapidement court. Dans son numéro de janvier 2017, le magazine Ciel & Espace détaillait l’observation et ses promesses (« A-t-on vu naître un trou noir ? », C&E 551, p. 32). Aujourd’hui, Christopher Kochanek et Stephen Smartt (Queen’s University de Belfast, Irlande) décrivent le mécanisme qui, selon eux, permet d’étouffer une supernova et de donner naissance à un trou noir.

« Le point de départ, c’est l’énigme posée par le déficit de progéniteurs massifs aux supernovae : quand une supernova survient dans une galaxie proche, les gens vont chercher l’étoile qui a explosé [le progéniteur] dans les données d’archives du télescope Hubble. Et ils ne trouvent pas autant d’étoiles massives qu’ils devraient », explique Christopher Kochanek. Un constat confirmé par Stephen Smartt : « Nous avons cherché des progéniteurs de supernovae sur des images prises avant les explosions. Nous avons réussi à identifier des étoiles qui avaient explosé plus tard et nous avons vu qu’elles avaient disparu après les explosions. Mais il y a un déficit statistique d’étoiles supérieures à 20 masses solaires dans notre relevé, qui est maintenant quasiment complet. »

Or, 20 masses solaires, c’est à peu près la limite théorique au-delà de laquelle une étoile massive arrivée en fin de vie voit son cœur s’effondrer en trou noir après avoir explosé en supernova. En deçà (entre 8 et 20 masses solaires), le cœur forme seulement une étoile à neutrons.

Pêche miraculeuse

Justement, les simulations numériques menées pour tenter de comprendre ce qui se passait pour ces étoiles très massives n’aboutissaient que difficilement à une explosion en supernova. Cette bizarrerie a conduit Christopher Kochanek et son équipe à mettre sous surveillance quelques galaxies proches dès 2008 avec le puissant Large Binocular Telescope (LBT), composé de deux miroirs de 8,2 m et installé en Californie. « Elles sont 26, toutes des cibles courantes des astrophotographes, comme M 81, M 101, NGC 4258, NGC 5194, explique Christopher Kochanek. Elles sont assez proches pour qu’on puisse récolter suffisamment de photons d’étoiles brillantes individuelles, et ce sont celles qui vont produire le plus de supernovae (autrement dit, d’étoiles massives en train de mourir). »

Et alors que l’équipe s’attendait à capter une de ces supernovae manquées tous les trois à dix ans, au bout de seulement quelques mois, la pêche miraculeuse s’est produite avec le clin d’œil d’une étoile d’environ 25 masses solaires dans la galaxie NGC 6946.

La galaxie NGC 6946, photo obtenue à partir des images du télescopes Hubble et Subaru. © Nasa/ESA/NAOJ.R. Gendler

Quand il s’est aperçu que cette drôle de supernova pouvait correspondre au phénomène attendu, Christopher Kochanek a retracé le comportement de l’étoile dans ses observations depuis 2008 et a continué à la surveiller avec le LBT : « La source était globalement constante avant 2009. Dans sa courbe de lumière obtenue depuis début 2008, il y a un pic qui cesse aussitôt. Nous continuons à surveiller la galaxie et, à ce point, nous avons observé NGC 6946 trente-six fois depuis 2008. » Résultat : son comportement correspond bien à ce que les astronomes attendaient lors de la formation d’un trou noir.

Une explosion qui ne parvient pas en surface

Pour expliquer en quoi l’effondrement du cœur d’une étoile en trou noir ne donne pas lieu à une vraie supernova, Christopher Kochanek avance : « Toutes les étoiles massives de plus de 8 masses solaires finissent par former un cœur de fer qui s’effondre. Ceci peut déclencher un choc qui fait exploser la surface de l’étoile pour produire une supernova. Mais alors que l’effondrement du cœur est inévitable, le fait que le choc atteigne la surface ne l’est pas. »

Stephen Smartt se montre encore plus précis : selon lui, lorsque le cœur de fer s’effondre en étoile à neutrons, cela se traduit par une libération d’énergie gravitationnelle potentielle, car sa taille passe subitement de 10000 km à 10 km. Cette libération d’énergie engendre une onde de choc vers l’extérieur de l’étoile. Celle-ci est renforcée par l’émission de neutrinos consécutive à la formation de l’astre dense. L’astrophysicien poursuit : « En même temps que l’onde de choc progresse vers l’extérieur à des vitesses supersoniques, la partie intérieure de l’étoile chute sur l’étoile à neutrons. Une explosion réussie est celle dans laquelle l’onde de choc possède assez d’énergie pour vaincre la pression du matériau qui tombe, l’expédier loin du cœur et détruire le reste de l’étoile. »

« S’il y a trop de masse en train de chuter, ou si la densité est trop élevée — dans le cas d’étoiles massives —, il peut arriver que l’onde-choc cale et retombe, explique Stephen Smartt. Elle n’arrive jamais à sortir de l’étoile, et l’étoile à neutrons gagne trop de masse pour rester stable. Elle n’a pas d’autre option que de s’effondrer encore en un trou noir. Donc, pas de choc en surface, et pas d’explosion énergétique qui fait la supernova. »

Christopher Kochanek. © DR

 Christopher Kochanek ajoute : « Quand le cœur s’effondre, la masse de l’étoile chute à quelques dixièmes de la masse du Soleil, ce qui affaiblit sa force de gravité. Cela est suffisant pour permettre à l’enveloppe externe de l’étoile de dériver vers l’espace même si l’onde de choc produite par l’effondrement du cœur n’atteint jamais la surface et que le reste de l’étoile devient un trou noir. Ceci a été confirmé par des simulations de Lovegrove et Woosley bien que l’idée soit ancienne. »

Ce phénomène d’expansion de la supergéante rouge pourrait en outre coller avec les observations de la supernova ratée de NGC 6946 : « Alors que l’enveloppe de l’étoile s’étend, vous avez une faible montée lumineuse transitoire, qui dure grossièrement un an, alimentée par le fait que les atomes d’hydrogène ionisé de l’étoile se combinent pour devenir neutres. Cela serait l’origine du pic transitoire de 2009. »

Reste un dernier élément, statistique. Au cours des observations des 26 galaxies menées avec le LBT, les astronomes ont découvert six supernovae classiques et une explosion avortée. Bien que cet échantillon ne soit pas très fourni, pour Christopher Kochanek, il est suffisant pour déduire qu’environ 15 % des cœurs stellaires qui s’effondrent ne produisent pas d’explosion de supernova. Car « c’est à peu près la bonne fraction pour expliquer plusieurs autres problèmes ». Dont celui des progéniteurs massifs manquants. Stephen Smartt appuie : « Je pense que la formation de trous noirs sans supernova visible est plausible dans environ 20 % de toutes les morts d’étoiles massives. »

Fusion d’étoiles ?

Le scénario semble bien ficelé. Pourtant, dans un article paru début 2017 dans MNRAS, l’astrophysicien israélien Noam Soker avance une autre explication pour l’événement survenu en 2009 dans NGC 6946 : l’étoile supergéante aurait tout simplement gobé une autre étoile qui lui tournait autour. Le chercheur, qui s’est illustré il y a quelques années en résolvant avec son collègue polonais Romuald Tylenda le mystère de V838 de la Licorne, a répertorié plusieurs sursauts lumineux associés à des étoiles qu’il nomme des « événements transitoires optiques de luminosité intermédiaire ».

Derrière cette appellation barbare se cachent des fusions d’étoiles dans lesquelles se produisent des éjections de matière dans une direction particulière. Rapidement, cette matière entoure les astres qui ont fusionné (et qui n’en font plus qu’un) jusqu’à les masquer. Ne reste alors qu’une faible lueur infrarouge due au fait qu’un tore de poussière filtre la lumière de l’astre. Avec le temps, sur des décennies, ce tore doit se dissiper et permettre de voir à nouveau l’étoile qui a avalé sa compagne.

Verdict grâce au JWST

Si tout va bien, dès 2019, le nouveau télescope spatial de 6,5 m James Webb, sensible aux rayonnements infrarouges, pourra être pointé vers NGC 6946 et ce qu’il reste de l’étoile N6946-BH1 (c’est son nom posthume). Son étude permettra de trancher et de dire si, oui ou non, les astronomes ont assisté à la naissance d’un trou noir stellaire. Et s’ils ont bien compris le mécanisme qui en est à l’origine.

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