En examinant une supernova proche avec le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA, dans le but de découvrir comment ces explosions stellaires enflamment des particules chargées appelées rayons cosmiques, les scientifiques ont découvert un plus grand mystère.
L’équipe a découvert que la supernova, désignée SN 2023ixf, était totalement dépourvue des émissions de rayons gamma qui devraient être présentes lorsque les particules de rayons cosmiques sont accélérées à des vitesses proches de la lumière. C’est une découverte qui pourrait remettre en question notre compréhension des supernovas. Les scientifiques ont longtemps cru qu’il s’agissait d’usines à rayons cosmiques, émettant des rayons gamma en quantités immenses.
SN 2023ixf est une « nouvelle » supernova (du moins telle que nous la voyons ici sur Terre) découverte le 18 mai 2023. Elle est située dans la galaxie Messier 101 (M101), également connue sous le nom de « galaxie du moulinet », située autour de À 21 millions d’années-lumière de la Terre. Causée par la mort et l’effondrement d’une étoile supergéante dont la masse est estimée à environ 12 fois celle du soleil, SN 2023ixf est la supernova la plus brillante relativement proche de la Terre repérée par Fermi depuis que le télescope a commencé à rechercher ces événements en 2008.
Pourtant, il manque un ingrédient clé à cet événement puissant. C’est extrêmement étrange.
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“Les astrophysiciens avaient précédemment estimé que les supernovas convertissaient environ 10 % de leur énergie totale en accélération des rayons cosmiques”, a déclaré Guillem Martí-Devesa, membre de l’équipe et chercheur à l’Université de Trieste, dans un communiqué. « 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 la possibilité que les supernovas soient des usines à rayons cosmiques, mais cela signifie que nous avons davantage à apprendre sur leur production.”
De mystérieuses usines à rayons cosmiques
Des milliards de rayons cosmiques frappent chaque jour l’atmosphère terrestre, et environ 90 % de ces particules chargées sont des noyaux atomiques d’hydrogène ; le reste est constitué d’électrons libres ou de noyaux d’éléments plus lourds.
Cependant, la Source des rayons cosmiques a été difficile à étudier. En effet, lorsque ces particules chargées parcourent des millions d’années-lumière pour atteindre la Terre, elles rencontrent une multitude de champs magnétiques qui les divertissent. Ce rebond sans fin signifie que la trajectoire des rayons cosmiques est presque impossible à reconstruire. Les photons de haute énergie ou les rayons gamma ne subissent pas de telles déviations et peuvent donc être utilisés comme traceurs de la production de rayons cosmiques.
“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, dans le communiqué. « 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 permettra de dresser un tableau plus précis des origines des rayons cosmiques.”
Les supernovas se produisent lorsque des étoiles environ huit fois plus massives que le soleil manquent de combustible nécessaire à la fusion nucléaire dans leur noyau. Cela met également fin à la sortie d’énergie qui fournissait une pression de rayonnement pour soutenir une étoile contre sa propre gravité.
Alors que se termine cette lutte acharnée cosmique qui fait rage depuis des millions d’années, avec la gravité comme vainqueur incontestable, le noyau de l’étoile s’effondre. Les couches externes sont ensuite projetées vers l’extérieur lors d’une explosion de supernova.
Ce matériau perforé provoque une onde de choc qui sort de l’étoile mourante, se projetant dans les gaz et la poussière environnants, accélérant les particules et créant des rayons cosmiques. Ces ondes de choc peuvent durer jusqu’à 50 000 ans, influençant la matière interstellaire pendant cette période. Et lorsque les rayons cosmiques en particulier interagissent avec les gaz et la poussière interstellaires, ils créent des photons gamma.
En 2013, Fermi a découvert ce phénomène se produisant autour des restes de supernova dans notre propre galaxie, la Voie Lactée. Cette découverte a révélé que ces restes de supernova ne créent pas suffisamment de particules de haute énergie pour correspondre aux mesures des scientifiques sur Terre. L’une des raisons à cela pourrait être que les supernovas n’accélèrent les particules pour créer les rayons cosmiques les plus énergétiques que pendant les premiers jours suivant l’effondrement de l’étoile qui les lance.
Cette image s’est encore compliquée lorsque Fermi a observé SN 2023ixf pendant des mois après que la supernova ait été détectée pour la première fois par d’autres télescopes en lumière visible. Malgré les observations de Fermi juste après l’explosion de la supernova, le télescope spatial de la NASA n’a toujours pas détecté de rayons gamma provenant de SN 2023ixf.
L’équipe a quelques explications possibles sur la raison pour laquelle cette supernova pourrait produire des rayons cosmiques mais pas des rayons gamma, du moins aucune que Fermi puisse détecter. Une théorie est que les débris de la supernova sont inégalement répartis et alignés de telle manière que les rayons gamma ne se dirigent pas vers la Terre et que Fermi ne peut donc pas les trouver. Une autre possibilité est que les débris autour de cette supernova pourraient absorber les rayons gamma produits.
Les astronomes vont désormais continuer à étudier SN 2023ixf dans d’autres longueurs d’onde de lumière et à créer des modèles informatiques pour découvrir ce qui peut causer son étrange apparence.
“Malheureusement, ne pas voir de rayons gamma ne veut pas dire qu’il n’y a pas de rayons cosmiques”, explique Matthieu Renaud, membre de l’équipe et astrophysicien au Laboratoire Univers et Particules de Montpellier, dans le communiqué. “Nous devons passer en revue 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 recherches de l’équipe ont été acceptées pour publication dans la revue Astronomy and Astrophysics.
