Bienvenue Arts Sciences Technologies Tutoriels Vrac  
  Astronomie Mathématique Physique Textes  
 
 

Groupe  :   Invité

les Sarto's > Bienvenue > Sciences > Univers > Mesure de l’univers, les supernovae font de la résistance
 
    Mesure de l’univers, les supernovae font de la résistance  
    Raphaël Chevrier - Ciel & Espace no. 529, juin 2014 - 2014-06-01      
    Considérées comme uniformes, les supernovae de type Ia servent de balises cosmiques aux astronomes afin d'estimer la distance des galaxies lointaines.
L’expansion accélérée de l'Univers repose même sur leur observation.
Mais une équipe Internationale vient de montrer que ces explosions d’étoiles sont loin de toutes se ressembler.
 
    Si l’on vous affirmait que la Terre ne tourne plus tout à fait autour du Soleil, vous vous sentiriez forcé, de revoir l’une de vos plus fermes certitudes en astronomie. C'est ce que vivent actuellement les cosmologistes à propos d'un phénomène capital dans la connaissance de l'Univers : les supernovae de type Ia. Ces explosions stellaires sont dues à l'effondrement d'une petite étoile dense, une naine blanche, ayant atteint une masse critique en volant la matière d'un astre voisin. Jusqu'ici, leur luminosité absolue était considérée comme identique - une propriété qui a permis aux astronomes de les utiliser pour estimer la distance des galaxies lointaines.  
   

Jusqu’ici, Ies supernovae de type Ia étaient attribuées à l’explosion d'une naine blanche, gavée de matière volée à une étoile géante rouge. Mais l’astre accompagnant la naine blanche pourrait également être un soleil, ou une autre naine blanche.

 
    Or, en une série de trois articles, une équipe internationale vient bousculer celte certitude, affirmant que ces explosions stellaires sont loin d'avoir une luminosité standard… Ironie de l'histoire, l'un des auteurs, Richard Scalzo, fait partie du groupe de Brian Schmidt - celui-là même qui, avec Saul Perlmutter et Adam Reiss, s'était appuyé dès 1998 sur l'étude des supernovae la pour affirmer que l'expansion de l'Univers allait en s'accélérant. Une découverte couronnée du prix Nobel de physique en 2011 !  
   

Situe dans la constellation du Compas, le vestige de supernova RCW 86 résulte de la plus ancienne explosion stellaire observée dans la voie lactée, en l'an 185.

 
    Ce ne sont pas les débris éjectés lors de l'explosion que nous observons, mais la lumière émise par leur désintégration en d'autres éléments chimiques, explique Sébastien Bongard, du LPNHE à Paris, ayant participé à l'étude. Une manière indirecte de remonter à la composition et la masse de l'astre progéniteur qui a explosé. Ainsi, dans le cas d'une naine blanche, le carbone et l'oxygène qui la composent se transforment en nickel, cobalt, fer, silicium, soufre et calcium - autant d'atomes que les astronomes identifient dans le ciel. "Reste à savoir pourquoi une naine blanche explose", souligne Greg Aldering. Selon la théorie, un tel cataclysme n'est possible que si l'étoile dépasse une masse critique, appelée masse de Chandrasekhar, égale à 1,4 fois la masse du Soleil. L'hypothèse d'une naine blanche dévorant l'enveloppe d'une autre étoile (une géante rouge, par exemple) afin d'atteindre cette masse critique a longtemps prévalu pour expliquer l'uniformité des supernovae Ia. "Les étoiles sont souvent en couples dans l'Univers, précise Sébastien Bongard. D'ailleurs, si Jupiter avait été un peu plus massive, elle aurait pu s’allumer, et nous aurions eu deux étoiles dans notre Système solaire !"  
   

Des explosions pour mesurer le cosmos

 
    Les supernovae constituent une aubaine pour mesurer les longues distances dans l'Univers. Du fait de leur luminosité exceptionnelle, elles sont visibles même lorsqu’elles surviennent dans des galaxies très éloignées. De fait, avant leur explosion, ces mêmes galaxies qui les abritent sont à peine perceptibles, voire invisibles. Il est donc impossible de mesurer leur éloignement.  
    Si l’on considère que toutes les supernovae de type Ia atteignent la même luminosité, cela signifie qu’observées à une même distance, toutes vont briller du même éclat. C’est ce qu'en appelle la luminosité absolue. Il suffit donc de comparer cette luminosité à cette observée (la luminosité relative) pour arriver, par le calcul, à déduire leur distance.  
1.   Les supernovae de type Ia sont supposées avoir le même éclat absolu, puisqu'elles découlent toutes d'un même processus : l’explosion dune petite étoile très dense, appelée naine blanche, quand le vol de matière à une étoile voisine lui fait atteindre la masse critique de 1,4 masse solaire.  
   
 
2.   Cette propriété permet de déterminer leur distance d’après leur éclat apparent. Les supernovae sont ainsi un outil précieux pour connaître la distance de galaxies très lointaines.  
   
 
3.   Le décalage vers le rouge (vers les grandes longueurs d’onde) de la lumière des galaxies lointaines montre que l'Univers est en expansion. Mais les mesures de distance Issues des supernovae nous ont appris que cette expansion s'accélérait.  
   

 

 
   

Trop brillantes, trop bleues

 
    Seulement voilà. Les astronomes dénichent de plus en plus de supernovae Ia s'écartant de cette théorie. Et ils ont commencé à se demander si une naine blanche pouvait exploser en deçà de la masse de Chandrasekhar. À l'inverse, plusieurs supernovae extrêmement brillantes, très bleues el aux évolutions atypiques ont été observées, semblant indiquer un progéniteur supérieur à 1,4 masse solaire ! "Nous nous sommes dit : ce n'est pas possible I" se souvient Sébastien Bongard. L'équipe menée par Robert Scalzo décide alors de fouiller dans les données de plus de 200 supernovae et d'élaborer une nouvelle méthode afin de déterminer la masse de la naine blanche défunte. "Dans les années 1980, le théoricien David Arnett a montré que le pic de luminosité associé à une supernova de type Ia est un bon indicateur de la quantité de nickel radioactif produit par I’explosion", explique Greg Aldering. Et donc, de la quantité de matière avant le cataclysme. Pour en savoir davantage, les astronomes ont étudié l'évolution des débris six à huit semaines après ce fort épisode lumineux. "La vitesse avec laquelle la supernova s'atténue est définie par la décroissance du cobalt radioactif, lui-même issu de la décroissance du nickel", poursuit l'astronome.  
    Or, les rayons gamma émis par le cobalt peuvent s'échapper directement dans l'espace, sans contribuer à la luminosité totale de la supernova. L'importance de ces fuites dépend de la masse des couches externes de la supernova, où des éléments plus légers tels que le fer, le silicium et le soufre absorbent les radiations. Si cette masse est faible, les rayonnements du cobalt s'échappent dam l'espace, et l'éclat de la supernova s'atténue rapidement. Si elle est importante, les radiations sont absorbées et converties en lumière visible. En analysant pour la première fois toutes ces étapes, les astronomes ont obtenu des résultats qui viennent confirmer leurs soupçons : jusqu'à 50% des naines blanches auraient explosé alors qu'elles se trouvaient encore en deçà de la masse de Chandrasekhar (entre 0,9 et 1,4 fois la masse du Soleil), et environ 5% alors qu'elles l'avaient dépassée ! Une dispersion en masse qui témoigne de la grande variété des mécanismes à l'origine de ces Cocottes-minute stellaires.  
    Les résultats obtenus sur les progéniteurs les plus massifs concordent avec un scénario toujours resté en marge : celui d'une collision entre deux naines blanches, explique Sébastien Bongard. Ce type d'accident pourrait expliquer le dépassement de la masse de Chandrasekhar, un phénomène que la théorie considère en général impossible pour une naine blanche grignotant peu à peu la matière d'une autre étoile.  
   

Différentes supernovae

 
    Il existe plusieurs types de supernovae qui ont été établis en fonction de leurs caractéristiques lumineuses (spectre et évolution de leur éclat dans le temps). Ainsi, le type l regroupe les supernovae dont le spectre ne contient pas d'hydrogène, et le type II, celles où cet élément est présent.  
   

Cassiopeia A est tout ce qui reste d'une étoile massive ayant explosé a 11’000 années-lumière : une supernova de type II. Sur celte vue en fausses couleurs, le rose correspond au rayonnement infrarouge, l’orange à la lumière visible, et le vert et le bleu aux rayons X.

 
    Chacun de ces types se divise en sous-catégories, de sorte qu'il y a en tout sept variétés de supernovae. Principalement, celles de type Ia sont issues d'une naine blanche volant la matière d'une étoile voisine, et celles de type II correspondent à une étoile massive arrivant en fin de vie.  
   

 

 
    Pour les explosions survenues avant la masse critique de Chandrasekhar, bien plus nombreuses, les astronomes imaginent une naine blanche accumulant l'hélium d'une compagne stellaire, un cocktail plus explosif qu'avec du carbone, ou encore la fusion lente de deux naines blanches. Nous sommes donc loin d'un mécanisme unique régissant ces événements cataclysmiques. Les supernovae de type Ia perdent-elles pour autant leur rôle de balises cosmiques ? Faut-il encore faire confiance aux estimations des distances des galaxies lointaines et, plus globalement, de la théorie de l'accélération de l'expansion de l’Univers ? "Les cas dépassant la masse de Chandrasekhar presentent des spécificités observationnelles tellement marquées qu'il est facile de les exclure de nos échantillons pour sonder les distances", précise Sébastien Bongard.  
   

Cette jolie bulle céleste, repérée dans le Grand Nuage de Magellan, a longtemps nargué les astronomes. SI elle résultait de la fin d’une naine blanche, où était l’autre étoile du tandem ? Une seule solution : la supernova était due à la collision de deux naines blanches.

 
   

Accélération confirmée

 
    Pour les autres, les variations de masse sont plus faibles que les incertitudes de mesure sur les supernovae lointaines. "Ces incertitudes sont bien comprises : quand on affirme que l'Univers est en expansion accélérée, cela veut dire que, malgré le flou de mesure, la courbe que nous obtenons est nettement distincte de celle que produirait un univers en expansion constante ou ralentie. "Pas de quoi, donc, remettre en question l’expansion accélérée dans laquelle l'Univers s'est engagé depuis quelques milliards d’années. Ni de faire perdre son Nobel à Brian Schmidt, pour qui "cette étude aide à comprendre pourquoi les supernovae de type Ia ne sont pas toutes les mêmes, et pourquoi nous avons besoin de les standardiser". Ainsi, ces variations très fines de luminosité, pour l'heure difficiles à déceler, deviendront plus apparentes à mesure que l'on multipliera les observations. Avec l'entrée en service du Large Synoptic Survey Telescope (8,4 m de diamètre) au nord du Chili, qui promet l'observation de millions de nouvelles supernovae, la prochaine génération de projets visant à les utiliser comme sondes cosmologiques n'aura d'autre choix que de comprendre et contrôler ces différences de masse.  
       
  top Ciel & Espace no. 529, juin 2014 - 2014-06-01