L’observation en 2023 de la supernova SN 2023ixf dans la galaxie Pinwheel a fourni une opportunité unique d’étudier la production de rayons cosmiques, mais les rayons gamma attendus n’ont pas été détectés par le télescope Fermi de la NASA, ce qui indique des taux de conversion d’énergie bien inférieurs aux prévisions. Crédit : NASA
Les observations de SN 2023ixf en 2023 ont conduit à des découvertes surprenantes concernant la production de rayons cosmiques par les supernovae, avec des implications potentielles pour la compréhension des origines des rayons cosmiques et des mécanismes d’accélération.
En 2023, une supernova proche a donné aux astrophysiciens une excellente occasion de tester des idées sur la façon dont ces types d’explosions propulsent des particules, appelées rayons cosmiques, à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Mais étonnamment, le télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA n’a détecté aucun des rayons gamma à haute énergie que ces particules sont censées produire.
Le 18 mai 2023, une supernova est entrée en éruption dans la galaxie Pinwheel (Messier 101), située à environ 22 millions d’années-lumière dans la constellation de la Grande Ourse. L’événement, nommé SN 2023ixf, est la supernova de proximité la plus lumineuse découverte depuis le lancement de Fermi en 2008.
Résultats inattendus du télescope Fermi
“Les astrophysiciens avaient précédemment estimé que les supernovae convertissaient environ 10 % de leur énergie totale en rayons cosmiques accélérés”, a déclaré Guillem Martí-Devesa, chercheur à l’Université de Trieste en Italie. « Mais nous n’avons jamais observé ce processus directement. Avec les nouvelles observations de SN 2023ixf, nos calculs aboutissent à une conversion d’énergie aussi faible que 1% quelques jours après l’explosion. Cela n’exclut pas que les supernovae soient des usines à rayons cosmiques, mais cela signifie que nous avons encore beaucoup à apprendre sur leur production. »
L’article, édité par Martí-Devesa alors qu’il était à l’Université d’Innsbruck en Autriche, paraîtra dans une prochaine édition de Astronomie et Astrophysique.
Bien qu’il ne détecte pas les rayons gamma, NASALe télescope spatial Fermi Gamma-ray aide les astronomes à en apprendre davantage sur l’univers. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Les rayons cosmiques et leurs origines
Des milliards de milliards de rayons cosmiques entrent chaque jour en collision avec l’atmosphère terrestre. Environ 90 % d’entre eux sont des noyaux d’hydrogène – ou des protons – et le reste sont des électrons ou des noyaux d’éléments plus lourds.
Les scientifiques étudient l’origine des rayons cosmiques depuis le début des années 1900, mais il est impossible de retracer l’origine des particules. Parce qu’ils sont chargés électriquement, les rayons cosmiques changent de trajectoire lorsqu’ils se dirigent vers la Terre grâce aux champs magnétiques qu’ils rencontrent.
“Les rayons gamma, cependant, se dirigent directement vers nous”, a déclaré Elizabeth Hays, scientifique du projet Fermi au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland. « Les rayons cosmiques produisent des rayons gamma lorsqu’ils interagissent avec la matière de leur environnement. Fermi est le télescope à rayons gamma le plus sensible en orbite. Ainsi, lorsqu’il ne détecte pas un signal attendu, les scientifiques doivent expliquer cette absence. Résoudre ce mystère fournira une image plus précise des origines des rayons cosmiques.
Le télescope de 48 pouces de l’observatoire Fred Lawrence Whipple a capturé cette image en lumière visible de la galaxie Pinwheel (Messier 101) en juin 2023. L’emplacement de la supernova 2023ixf est encerclé. L’observatoire, situé sur le mont Hopkins en Arizona, est exploité par le Center for Astrophysics | Harvard et Smithsonian. Crédit : Hiramatsu et al. 2023/Sébastien Gomez (STScI)
Les supernovae comme accélérateurs de rayons cosmiques
Les astrophysiciens soupçonnent depuis longtemps les supernovas d’être les principaux contributeurs aux rayons cosmiques.
Ces explosions se produisent lorsqu’une étoile ayant au moins huit fois la masse du Soleil manque de carburant. Le noyau s’effondre puis rebondit, propulsant une onde de choc vers l’extérieur à travers l’étoile. L’onde de choc accélère les particules, créant des rayons cosmiques. Lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec d’autres matières et lumières entourant l’étoile, ils génèrent des rayons gamma.
Les supernovae ont un impact considérable sur l’environnement interstellaire d’une galaxie. Leurs ondes de souffle et leur nuage de débris en expansion pourraient persister pendant plus de 50 000 ans. En 2013, les mesures de Fermi ont montré que les restes de supernova dans notre propre voie Lactée les rayons cosmiques accélérés par la galaxie, qui généraient de la lumière gamma lorsqu’ils frappaient la matière interstellaire. Mais les astronomes affirment que les restes ne produisent pas suffisamment de particules de haute énergie pour correspondre aux mesures effectuées par les scientifiques sur Terre.
Une théorie propose que les supernovae pourraient accélérer les rayons cosmiques les plus énergétiques de notre galaxie dans les premiers jours et semaines suivant l’explosion initiale.
Mais les supernovae sont rares, se produisant seulement quelques fois par siècle dans une galaxie comme la Voie lactée. À des distances d’environ 32 millions d’années-lumière, une supernova ne se produit en moyenne qu’une fois par an.
Après un mois d’observations, commençant lorsque les télescopes à lumière visible ont vu pour la première fois SN 2023ixf, Fermi n’avait pas détecté de rayons gamma.
Défis et recherches futures
“Malheureusement, ne pas voir de rayons gamma ne signifie pas qu’il n’y a pas de rayons cosmiques”, a déclaré le co-auteur Matthieu Renaud, astrophysicien au Laboratoire Univers et Particules de Montpellier, qui fait partie du Centre national de la recherche scientifique en France. « Nous devons revoir toutes les hypothèses sous-jacentes concernant les mécanismes d’accélération et les conditions environnementales afin de convertir l’absence de rayons gamma en une limite supérieure pour la production de rayons cosmiques. »
Les chercheurs proposent quelques scénarios qui auraient pu affecter la capacité de Fermi à voir les rayons gamma de l’événement, comme la manière dont l’explosion a réparti les débris et la densité de la matière entourant l’étoile.
Les observations de Fermi constituent la première opportunité d’étudier les conditions immédiatement après l’explosion de la supernova. Des observations supplémentaires de SN 2023ixf à d’autres longueurs d’onde, de nouvelles simulations et modèles basés sur cet événement, ainsi que de futures études d’autres jeunes supernovae aideront les astronomes à mieux comprendre les mystérieuses sources de rayons cosmiques de l’univers.
Fermi est un partenariat d’astrophysique et de physique des particules géré par Goddard. Fermi a été développé le ministère américain de l’Énergie, avec des contributions significatives d’institutions universitaires et de partenaires en France, en Allemagne, en Italie, au Japon, en Suède et aux États-Unis.
