Des observations effectuées rapidement à l'aide du Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire Européen Austral (ESO) ont révélé la mort explosive d'une étoile au moment même où l'explosion traversait la surface de l'étoile. Pour la première fois, les astronomes ont dévoilé la forme de l'explosion à son stade le plus précoce et le plus fugace. Cette brève phase initiale n'aurait pas été observable un jour plus tard et permet de répondre à toute une série de questions sur la façon dont les étoiles massives deviennent des supernovas.
Lorsque l'explosion de la supernova SN 2024ggi a été détectée pour la première fois dans la nuit du 10 avril 2024, heure locale, Yi Yang, professeur adjoint à l'université Tsinghua de Pékin, en Chine, et auteur principal de la nouvelle étude, venait d'atterrir à San Francisco après un long vol. Il savait qu'il devait agir rapidement. Douze heures plus tard, il avait envoyé une proposition d'observation à l'ESO qui, après un processus d'approbation très rapide, a pointé le VLT au Chili vers la supernova le 11 avril, soit seulement 26 heures après la détection initiale.
SN 2024ggi est située dans la galaxie NGC 3621, dans la direction de la constellation de l'Hydre, à « seulement » 22 millions d'années-lumière, ce qui est proche en termes astronomiques. Grâce à un grand télescope et à l'instrument adéquat, l'équipe internationale savait qu'elle avait une occasion rare de dévoiler la forme de l'explosion peu après qu'elle se soit produite. « Les premières observations du VLT ont capturé la phase pendant laquelle la matière accélérée par l'explosion près du centre de l'étoile a traversé la surface de celle-ci. Pendant quelques heures, la géométrie de l'étoile et son explosion ont pu être observées ensemble », explique Dietrich Baade, astronome de l'ESO en Allemagne et coauteur de l'étude publiée aujourd'hui dans Science Advances.
« La géométrie d'une explosion de supernova fournit des informations fondamentales sur l'évolution stellaire et les processus physiques qui conduisent à ces feux d'artifice cosmiques », explique Yi Yang. Les mécanismes exacts à l'origine des explosions de supernovas d'étoiles massives, celles dont la masse est plus de huit fois supérieure à celle du Soleil, font encore l'objet de débats et constituent l'une des questions fondamentales auxquelles les scientifiques souhaitent répondre. Le précurseur de cette supernova était une étoile supergéante rouge, dont la masse était 12 à 15 fois supérieure à celle du Soleil et dont le rayon était 500 fois plus grand, faisant de SN 2024ggi un exemple classique d'explosion d'étoile massive.
Nous savons que, tout au long de sa vie, une étoile typique conserve sa forme sphérique grâce à un équilibre très précis entre la force gravitationnelle, qui tend à la comprimer, et la pression de son moteur nucléaire, qui tend à la dilater. Lorsqu’elle épuise sa dernière source de carburant, ce moteur nucléaire commence à s’essouffler. Pour les étoiles massives, cela marque le début d’une supernova : le cœur de l’étoile mourante s’effondre, les couches de matière environnantes s’y précipitent puis rebondissent. Ce choc de rebond se propage alors vers l’extérieur, entraînant la désintégration de l’étoile.
Une fois que le choc franchit la surface, il libère d'immenses quantités d'énergie — la supernova s'illumine alors de manière spectaculaire et devient observable. Pendant une phase de courte durée, la forme initiale de la « déflagration » de la supernova peut être étudiée avant que l'explosion n'interagisse avec la matière entourant l'étoile mourante.
C'est ce que les astronomes ont réussi à faire pour la toute première fois avec le VLT de l'ESO, en utilisant une technique appelée « spectropolarimétrie ». « La spectropolarimétrie fournit des informations sur la géométrie de l'explosion que d'autres types d'observation ne peuvent pas fournir, car les échelles angulaires sont trop petites », explique Lifan Wang, coauteur et professeur à l'université Texas A&M aux États-Unis, qui était étudiant à l'ESO au début de sa carrière d'astronome. Même si l'étoile en explosion apparaît comme un simple point, la polarisation de sa lumière recèle des indices cachés sur sa géométrie, que l'équipe a pu déchiffrer. [1]
Le seul instrument de l’hémisphère sud capable de capturer la forme d’une supernova grâce à ce type de mesure est FORS2, installé sur le Very Large Telescope (VLT). À partir des données de FORS2, les astronomes ont découvert que l’explosion initiale de matière présentait une forme d’olive. À mesure que l’explosion s’étendait vers l’extérieur et entrait en collision avec la matière environnant l’étoile, cette forme s’est aplatie, mais l’axe de symétrie des éjectas est resté inchangé. Selon Yi Yang, « ces résultats suggèrent l’existence d’un mécanisme physique commun à l’origine de l’explosion de nombreuses étoiles massives, caractérisé par une symétrie axiale bien définie et agissant à grande échelle ».
Grâce à ces nouvelles connaissances, les astronomes peuvent déjà écarter certains modèles actuels de supernovaet en affiner d’autres en y intégrant de nouvelles données, offrant ainsi un éclairage inédit sur la mort spectaculaire des étoiles massives. « Cette découverte ne transforme pas seulement notre compréhension des explosions stellaires, elle démontre aussi ce que la science peut accomplir lorsqu’elle dépasse les frontières », explique Ferdinando Patat, coauteur de l’étude et astronome à l’ESO. « C’est un rappel puissant du fait que la curiosité, la collaboration et la réactivité peuvent ouvrir la voie à des découvertes profondes sur les mécanismes physiques qui façonnent notre Univers. »
Notes
[1] Les particules de lumière (photons) ont une propriété appelée polarisation. Dans une sphère, la forme de la plupart des étoiles, la polarisation des photons individuels s'annule, de sorte que la polarisation nette de l'objet est nulle. Lorsque les astronomes mesurent une polarisation nette non nulle, ils peuvent utiliser cette mesure pour déduire la forme de l'objet — une étoile ou une supernova — émettant la lumière observée.
