Lumières sur les collisions d’étoiles

Une poignée de sursauts lumineux, observés dans la Galaxie et au-delà, intrigue les astrophysiciens. Car ils ne correspondent à aucun phénomène connu. Un trio de chercheurs propose pourtant un mode d’explication assez simple : ce sont les manifestations de collisions entre corps célestes.

Un trou noir peut-il se former sans qu’une étoile explose en supernova ? Une supernova peut-elle exploser plusieurs fois ? Telles sont les deux étranges questions auxquelles les astronomes ont été soumis ces derniers mois. D’abord parce qu’ils ont observé dans la galaxie NGC 6946 une supernova qui, aussitôt apparue, s’est brusquement éteinte, contrairement à ce qu’on aurait pu attendre (lire “A-t-on vu naître un trou noir ?” Ciel & Espace n° 551, p. 32). Ensuite, parce qu’ils ont découvert qu’un même astre, situé dans une galaxie anonyme distante de 500 millions d’années-lumière, avait déjà connu un énorme sursaut lumineux en 1954 avant d’en connaître un autre, plus fort et plus bizarre, en 2014.

Une supernova étouffée dans l’œuf.

Dans les deux cas, les découvreurs ont tenté d’avancer des explications. Pour l’événement de NGC 6946, Christopher Kochanek, de l’université de l’Ohio, dans un article publié dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), a privilégié l’idée qu’en s’effondrant sur elle-même, une étoile de plus de 20 masses solaires pouvait très bien étouffer dans l’œuf le mécanisme censé donner lieu à une gigantesque explosion de supernova.

Pour l’autre événement, appelé iPTF14hls, Iair Arcavi, de l’université de Californie, à Santa Barbara, a fait appel à une explication plus exotique. Dans un article paru dans Nature, il propose avec ses collègues que les étoiles très massives (au-delà de 50 masses solaires) soient tellement chaudes qu’elles créeraient en leur cœur des paires matière-antimatière qui, en se rencontrant, libéreraient une telle énergie que l’enveloppe de l’étoile se mettrait à briller aussi intensément qu’une supernova, et ce, de manière cyclique.

Pourtant, un petit groupe d’astronomes regarde différemment tous ces sursauts lumineux impossibles à ranger dans la moindre case prévue par les théories d’évolution stellaire. Autour de Noam Soker, de l’université Technion, à Haïfa, en Israël, et de Romuald Tylenda, de l’université de Torun, en Pologne, quelques théoriciens sont convaincus que tous ces flashes stellaires résultent d’un même type d’événements : des collisions. Parfois entre étoiles, mais aussi entre étoiles et cadavres stellaires (étoiles à neutrons ou naines blanches) ou encore entre étoiles et planètes.

L’explosion de la Licorne

Il faut remonter à 2002 pour comprendre pourquoi ces scientifiques se sont engagés dans cette voie. Cette année-là, en janvier, un astronome amateur découvre ce que l’on croit être une nova dans la constellation de la Licorne. Mais au fil des semaines, les professionnels se rendent comptent que l’objet V838 Monocerotis qui s’est mis à briller n’est pas une nova. En fait, il ne correspond à rien de connu. Après avoir passé en revue tous les phénomènes physiques imaginables pouvant survenir dans les couples stellaires ou sur des étoiles en fin de vie, les spécialistes donnent leur langue au chat.

L’expansion de l’écho lumineux observé sur V838 Monocerotis (Licorne). © Nasa/ESA/STScI/Aura

Mais à l’été 2002, Romuald Tylenda travaille sur un autre scénario : celui d’une planète géante qui aurait été absorbée par une étoile. Après tout, les spécialistes d’exoplanètes croient bien en des modèles qui conduisent les géantes gazeuses à tomber en spirale vers leur étoile… Pourquoi pas au point de fusionner avec elles ? Avec Noam Soker, venu lui rendre visite, Tylenda fait des calculs. Mais rapidement, les deux chercheurs se rendent compte que cela ne marche pas : l’énergie libérée lors du choc entre une planète et une étoile aurait été bien inférieure que ce qui a été observé. Ils troquent donc la chute d’une planète pour celle d’une petite étoile. Et là, tout fonctionne comme par magie : un premier sursaut se produit lors du contact des deux astres, puis un deuxième mille fois plus fort survient quand leurs cœurs fusionnent. Exactement comme cela a été observé.

Fusion d’étoiles

À l’automne 2002, les deux chercheurs publient leur conclusion, qui demeure à ce jour, et de loin, la plus solide : V838 Monocerotis a été la manifestation visible d’une collision entre deux étoiles. Mais cet événement est-il unique ? Noam Soker a le sentiment que non. Il se met donc à fouiller dans les flashes déjà connus et mal expliqués : “Amit Kashi m’a rejoint comme doctorant et nous avons commencé à travailler sur Êta de la Carène [NDLR : cette étoile a connu un sursaut puissant en 1843] et d’autres phénomènes lumineux transitoires intermédiaires. Depuis lors, nous essayons de relier tous ces événements les uns aux autres par le biais d’un mécanisme d’accrétion.”

De son côté, Tylenda poursuit sa réflexion dans le même sens. Et en 2013, il publie un article passé relativement inaperçu dans lequel il conclut qu’un événement appelé Ogle-2002-BLG-360 correspond à une autre fusion d’étoiles. Aujourd’hui, Soker, Tylenda et Kashi ont établi une petite liste d’une dizaine d’événements célestes entrant dans leur nouvelle catégorie, celles des collisions.

Le catalogue est peu fourni, mais il contient déjà une perle rare. Le 2 octobre 2015, le sursaut lumineux surpris par le réseau de télescopes All-Sky Automated Survey for Supernovae installé au Chili, à Hawaï et au Texas, semble avoir les caractéristiques de la fusion d’une planète comparable à Saturne avec une étoile de 2,4 fois la masse du Soleil. C’est en tout cas ce qu’avancent Noam Soker et Amit Kashi dans leur article paru en juillet 2017 dans les MNRAS, en précisant que cette collision aurait libéré trop peu d’énergie pour faire gonfler l’enveloppe de l’étoile. Simplement, celle-ci aurait chauffé subitement avant de se refroidir de façon lente — un scénario qui semble coller à la courbe de luminosité observée après l’événement. “Il ne s’agit pas d’une fusion dans laquelle la planète arrive intacte, précise Noam Soker. Elle serait plutôt désintégrée par les forces de marées de l’étoile. Le gaz de la planète est alors accrété sur l’étoile. Pour cela, le système doit être jeune, car ainsi, la planète a encore un grand rayon et peut être plus facilement détruite par les forces de marées.”

Il est plus inattendu de retrouver dans la courte liste des collisions stellaires les cas de la supernova avortée de NGC 6946 et de la supernova à répétition iPTF14hls. En effet, pour le premier événement, une équipe a avancé un scénario très plausible pour expliquer ce qui a été observé. Pour Christopher Kochanek et son collègue de la Queen’s University de Belfast, en Irlande, la masse colossale de l’étoile N6946-BH1 (c’est son nom…), 25 fois supérieure à celle du Soleil, suffit à empêcher la supernova. Lorsque les étoiles massives (supérieures à 8 masses solaires) arrivent en fin de vie, leur cœur s’effondre d’un coup sur lui-même. Ce mécanisme, qui dure une fraction de seconde, donne naissance à un objet dense (une étoile à neutrons ou un trou noir) dans une extraordinaire libération d’énergie.

Compression rapide du cœur

En théorie, ce flux est assez puissant pour repousser l’enveloppe de l’étoile qui, soudain privée de socle par la contraction du cœur, chute vers l’objet dense. Et c’est ainsi que toute la matière gazeuse de l’astre se retrouve expulsée violemment dans l’espace en une explosion de supernova. Mais dans le cas de N6946-BH1, il semble possible que la masse qui chute vers le centre de l’étoile soit assez importante pour ne pas être repoussée par l’onde de choc en provenance du cœur. Simultanément, la partie la plus externe de l’étoile s’étend un peu dans l’espace, car la compression rapide de son cœur diminue la force de gravité qui l’attirait. C’est ainsi que l’on aperçoit un sursaut de luminosité, bien plus faible que dans le cas d’une supernova.

Si le scénario tient la route, il n’empêche pas Noam Soker d’en proposer un autre : la géante rouge N6946-BH1 aurait tout simplement gobé une autre étoile, au moins de manière passagère. En passant dans l’enveloppe de la géante, l’étoile intruse aurait provoqué l’expulsion d’une partie de sa masse, principalement le long de l’axe des pôles (comme cela arrive par exemple sur les astres jeunes que sont les objets de Herbig-Haro). Et une fraction de la matière expulsée se serait ensuite condensée en poussières tout autour de l’étoile, ce qui aurait simulé sa disparition après le flash lumineux. Le chercheur israélien prédit ainsi qu’avec la dissipation progressive de cette enveloppe poussiéreuse dans les années ou les décennies à venir, on pourrait voir reparaître l’étoile. Si une telle chose est observée, le scénario de la formation du trou noir sans explosion de supernova sera invalidé. Wait and see…

Une explosion à répétition, difficile à imaginer

Le cas de la supernova iPTF14hls qui aurait explosé plusieurs fois entre 1954 et 2014 est encore plus bizarre. Il a été expliqué par ses découvreurs en faisant appel à un mécanisme assez éloigné des solutions classiques. Pour Iair Arcavi, la meilleure piste est celle au nom barbare de “supernova à paire d’instabilités”. On peut la résumer ainsi : au centre de l’étoile, au moins 50 fois plus massive que le Soleil, la chaleur est telle, que le cœur convertit une partie de la matière en antimatière. On a donc, à parité, création de matière et d’antimatière. Or, ces deux-là sont comme chien et chat. Sitôt créées, leur rencontre les annihile et produit une quantité d’énergie qui provoque l’expulsion d’une grande partie de l’enveloppe stellaire dans l’espace. Le processus peut se renouveler sur plusieurs décennies. L’explosion de 1954, puis les cinq sursauts successifs aperçus depuis 2014 peuvent en être l’illustration.

Mais voilà, ce scénario exotique souffre de quelques faiblesses. D’abord, il n’est censé survenir que sur des étoiles de première génération, les premières à avoir été créées dans l’histoire de l’Univers, et faites d’éléments légers. Or, ce n’est pas le cas ici. La galaxie anonyme qui a été le siège du sursaut lumineux a beau être lointaine, elle est contemporaine de la Voie lactée et n’abrite pas des étoiles de première génération. Ensuite, l’énergie libérée par la paire matière-antimatière aurait dû être plus faible que ce qui a été observé. Enfin, les spectres lumineux obtenus avec les télescopes qui ont suivi l’événement (dont le Large Binocular Telescope, avec ses deux miroirs de 8,4 m) ont permis de déceler la présence massive d’hydrogène dans la dernière explosion… Ce qui contredit l’hypothèse de l’antimatière, car cet élément, léger, aurait dû être expulsé lors des explosions précédentes et ne plus être discernable.

L’entrée d’une étoile à neutrons

Après quelques tâtonnements, Noam Soker et Amit Kashi ont proposé un phénomène moins extraordinaire (et qui reste compatible avec la présence d’hydrogène lors du dernier sursaut) : une étoile à neutrons aurait pénétré dans l’enveloppe de l’étoile géante et aurait fusionné avec son cœur. Mais encore faut-il expliquer comment une telle rencontre peut être possible. Après tout, une étoile à neutrons est le résidu d’une étoile massive qui a déjà explosé en supernova… Noam Soker envisage l’hypothèse d’un couple stellaire dans lequel l’une des composantes, la plus massive (entre 50 et 70 masses solaires), aurait évolué plus vite que l’autre (30 à 40 masses solaires). En devenant une géante rouge, elle aurait été dépossédée d’une grande partie de son enveloppe par l’étoile qui était initialement la moins massive.

Au terme de cet échange, l’étoile la plus légère serait devenue un monstre de 80 masses solaires qui aurait résisté sans difficulté à l’explosion en supernova de sa compagne amoindrie. Il serait resté une étoile de 80 masses solaires avec une étoile à neutrons de 1,5 masse solaire, en orbite elliptique autour d’elle. En gonflant pour devenir une géante rouge, l’astre massif aurait fini par empiéter sur la trajectoire de l’étoile à neutrons. Et en 1954, ce que les astronomes ont aperçu, ce serait l’un des passages de l’étoile à neutrons dans l’enveloppe de la géante. Noam Soker précise : “Elle a accrété un peu de masse de l’enveloppe, mais elle en est ressortie et a continué à orbiter autour de l’étoile.” Mais dans l’affaire, l’objet dense aurait perdu beaucoup de vitesse au point qu’en 2014, quand elle a replongé dans la géante rouge, elle n’en est jamais ressortie. Elle a spiralé, provoquant des éjections périodiques de matière. A-t-elle fini par fusionner avec le cœur de l’étoile ? Seul l’arrêt des sursauts lumineux, répétés depuis 2014, permettrait de le savoir. Le scénario, bien que complexe, ressemble à celui admis pour expliquer les sursauts d’Êta de la Carène.

De nombreuses observations seront encore nécessaires pour déterminer si ces flashes stellaires inexpliqués trouvent bien leur origine dans les collisions. Mais le trio Tylenda, Soker et Amit offre à l’ensemble des astronomes une piste qu’il serait dommage de ne pas suivre.

Cet article a été publié dans le Ciel & Espace n°557, de janvier-février 2018.