Crédit d'image: ESO
Les nouvelles données recueillies par le Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral semblent indiquer que les supernovae peuvent ne pas être symétriques lorsqu'elles explosent - leur luminosité change en fonction de la façon dont vous les regardez. S'ils sont plus lumineux ou plus faibles selon la façon dont vous les regardez, cela peut entraîner des erreurs dans vos calculs de distance. Mais les nouvelles recherches indiquent qu'elles deviennent plus symétriques au fil du temps, les astronomes n'ont donc qu'à attendre un peu avant de faire leurs calculs.
Une équipe internationale d'astronomes [2] a effectué des observations nouvelles et très détaillées d'une supernova dans une galaxie éloignée avec le très grand télescope ESO (VLT) à l'Observatoire de Paranal (Chili). Ils montrent pour la première fois qu'un type particulier de supernova, provoqué par l'explosion d'une «naine blanche», une étoile dense avec une masse autour de celle du Soleil, est asymétrique lors des phases initiales d'expansion.
La signification de cette observation est beaucoup plus grande que ce qui peut sembler à première vue. Ce type particulier de supernova, appelé «Type Ia», joue un rôle très important dans les tentatives actuelles de cartographier l'Univers. On a longtemps supposé que les supernovae de type Ia avaient toutes la même luminosité intrinsèque, ce qui leur a valu un surnom de «bougies standard».
Si tel est le cas, les différences de luminosité observées entre les supernovae individuelles de ce type reflètent simplement leurs différentes distances. Ceci, et le fait que la luminosité maximale de ces supernovae rivalise avec celle de leur galaxie mère, a permis de mesurer les distances de galaxies même très éloignées. Certaines divergences apparentes récemment découvertes ont conduit à la découverte d'une accélération cosmique.
Cependant, cette première observation claire de l'asymétrie d'explosion dans une supernova de type Ia signifie que la luminosité exacte d'un tel objet dépendra de l'angle sous lequel il est vu. Étant donné que cet angle n'est pas connu pour une supernova particulière, cela introduit évidemment une quantité d'incertitude dans ce type de mesures de distance de base dans l'Univers qui doit être prise en compte à l'avenir.
Heureusement, les données VLT montrent également que si vous attendez un peu - ce qui, en termes d'observation, permet d'approfondir la boule de feu en expansion -, elle devient plus sphérique. Les déterminations de distance des supernovae qui sont effectuées à ce stade ultérieur seront donc plus précises.
Explosions de supernova et distances cosmiques
Au cours des événements de supernova de Type Ia, des restes d'étoiles ayant une masse initiale pouvant atteindre plusieurs fois celle du Soleil (soi-disant «étoiles naines blanches») explosent, ne laissant rien derrière, mais un nuage en expansion rapide de «poussière d'étoile».
Les supernovae de type Ia sont apparemment assez similaires les unes aux autres. Cela leur donne un rôle très utile en tant que «bougies standard» qui peuvent être utilisées pour mesurer les distances cosmiques. Leur luminosité maximale rivalise avec celle de leur galaxie mère, ce qui les qualifie de critères de référence cosmiques.
Les astronomes ont exploité cette heureuse circonstance pour étudier l'histoire de l'expansion de notre univers. Ils sont récemment arrivés à la conclusion fondamentale que l'Univers se développe à un rythme accéléré, cf. ESO PR 21/98, décembre 1998 (voir également la page Web de la sonde d'accélération Supernova).
L'explosion d'une étoile naine blanche
Dans les modèles de supernovae de type Ia les plus largement acceptés, l'étoile naine blanche pré-explosion orbite autour d'une étoile compagnon solaire, accomplissant une révolution toutes les quelques heures. En raison de l'interaction étroite, l'étoile compagnon perd continuellement de la masse, dont une partie est captée (en terminologie astronomique: «accrété») par la naine blanche.
Une naine blanche représente l'avant-dernier stade d'une étoile de type solaire. Le réacteur nucléaire dans son cœur est à court de combustible depuis longtemps et est maintenant inactif. Cependant, à un moment donné, le poids de montage du matériau accumulé aura augmenté la pression à l'intérieur de la naine blanche à tel point que les cendres nucléaires qui s'y trouvent s'enflammeront et commenceront à brûler en éléments encore plus lourds. Ce processus devient très rapidement incontrôlé et la star entière est mise en pièces dans un événement dramatique. On voit une boule de feu extrêmement chaude qui éclipse souvent la galaxie hôte.
La forme de l'explosion
Bien que toutes les supernovae de type Ia aient des propriétés assez similaires, il n'a jamais été clair jusqu'à présent à quel point un tel événement ressemblerait aux observateurs qui le voient sous différentes directions. Tous les œufs sont similaires et ne se distinguent pas les uns des autres lorsqu'ils sont vus sous le même angle, mais la vue latérale (ovale) est évidemment différente de la vue d'extrémité (ronde).
Et en effet, si les explosions de supernova de Type Ia étaient asymétriques, elles brilleraient avec une luminosité différente dans des directions différentes. Les observations de différentes supernovae - vues sous différents angles - n'ont donc pas pu être directement comparées.
Cependant, ne connaissant pas ces angles, les astronomes déduiraient alors des distances incorrectes et la précision de cette méthode fondamentale pour mesurer la structure de l'Univers serait en question.
La polarimétrie à la rescousse
Un calcul simple montre que même aux yeux d'aigle de l'interféromètre VLT (VLTI), toutes les supernovae à des distances cosmologiques apparaîtront comme des points de lumière non résolus; ils sont tout simplement trop loin. Mais il existe une autre façon de déterminer l'angle sous lequel une supernova particulière est vue: la polarimétrie est le nom de l'astuce!
La polarimétrie fonctionne comme suit: la lumière est composée d'ondes électromagnétiques (ou photons) qui oscillent dans certaines directions (plans). La réflexion ou la diffusion de la lumière favorise certaines orientations des champs électriques et magnétiques par rapport à d'autres. C'est pourquoi les lunettes de soleil polarisantes peuvent filtrer la lueur du soleil se reflétant sur un étang.
Lorsque la lumière se disperse à travers les débris en expansion d'une supernova, elle conserve des informations sur l'orientation des couches de diffusion. Si la supernova est sphériquement symétrique, toutes les orientations seront présentes de manière égale et feront la moyenne, donc il n'y aura pas de polarisation nette. Si, cependant, la coque à gaz n'est pas ronde, une légère polarisation nette sera imprimée sur la lumière.
«Cependant, même pour des asymétries assez visibles, la polarisation est très faible et dépasse à peine le niveau de 1%», explique Dietrich Baade, astronome de l'ESO et membre de l'équipe qui a effectué les observations. «Les mesurer nécessite un instrument très sensible et très stable. "
La mesure dans des sources lumineuses faibles et éloignées de différences à un niveau inférieur à un pour cent est un défi d'observation considérable. «Cependant, le très grand télescope ESO (VLT) offre la précision, la puissance de collecte de lumière, ainsi que l'instrumentation spécialisée requise pour une observation polarimétrique aussi exigeante», explique Dietrich Baade. «Mais ce projet n'aurait pas été possible sans le VLT fonctionnant en mode service. Il est en effet impossible de prédire quand une supernova va exploser et nous devons être prêts tout le temps. Seul le mode service permet des observations à court terme. Il y a quelques années, la direction de l'ESO a décidé avec beaucoup de prévoyance et de courage de mettre autant l'accent sur le mode service. Et c'est l'équipe d'astronomes compétents et dévoués de l'ESO sur Paranal qui a fait de ce concept un succès pratique », ajoute-t-il.
Les astronomes [1] ont utilisé l'instrument multimode VLT FORS1 pour observer SN 2001el, une supernova de type Ia découverte en septembre 2001 dans la galaxie NGC 1448, cf. PR Photo 24a / 03 à une distance de 60 millions d'années-lumière.
Les observations obtenues environ une semaine avant que cette supernova n'atteigne sa luminosité maximale vers le 2 octobre ont révélé une polarisation à des niveaux de 0,2 à 0,3% (PR Photo 24b / 03). Près de la lumière maximale et jusqu'à deux semaines après, la polarisation était encore mesurable. Six semaines après le maximum, la polarisation était tombée en dessous de la détectabilité.
C'est la première fois qu'une supernova de type Ia normale se révèle présenter une telle évidence nette d'asymétrie.
Regarder plus loin dans la supernova
Immédiatement après l'explosion de la supernova, la plupart des matières expulsées se déplacent à des vitesses d'environ 10 000 km / sec. Au cours de cette expansion, les couches les plus externes deviennent progressivement plus transparentes. Avec le temps, on peut ainsi regarder de plus en plus profondément dans la supernova.
La polarisation mesurée dans SN 2001el fournit donc la preuve que les parties les plus externes de la supernova (qui sont vues pour la première fois) sont significativement asymétriques. Plus tard, lorsque les observations du VLT «pénètrent» plus profondément vers le cœur de la supernova, la géométrie de l'explosion est de plus en plus symétrique.
Si elle est modélisée en termes de forme sphéroïdale aplatie, la polarisation mesurée dans SN 2001el implique un rapport d'axe mineur à majeur d'environ 0,9 avant que la luminosité maximale ne soit atteinte et une géométrie sphérique symétrique d'environ une semaine après ce maximum et au-delà.
Implications cosmologiques
L'un des paramètres clés sur lesquels les estimations de distance de type Ia sont basées est la luminosité optique au maximum. L'asphéricité mesurée à ce moment introduirait une incertitude de luminosité absolue (dispersion) d'environ 10% si aucune correction n'était apportée à l'angle de vue (qui n'est pas connu).
Alors que les supernovae de type Ia sont de loin les meilleures bougies standard pour mesurer les distances cosmologiques, et donc pour étudier la soi-disant énergie sombre, une petite incertitude de mesure persiste.
«L'asymétrie que nous avons mesurée dans SN 2001el est suffisamment grande pour expliquer une grande partie de cette incertitude intrinsèque», explique Lifan Wang, le chef de l'équipe. «Si toutes les supernovae de type Ia sont comme ça, cela représenterait une grande partie de la dispersion des mesures de luminosité. Ils peuvent être encore plus uniformes que nous ne le pensions. "
La réduction de la dispersion dans les mesures de luminosité pourrait bien sûr également être atteinte en augmentant considérablement le nombre de supernovae que nous observons, mais étant donné que ces mesures exigent les télescopes les plus grands et les plus chers du monde, comme le VLT, ce n'est pas la méthode la plus efficace.
Ainsi, si la luminosité mesurée une semaine ou deux après que le maximum ait été utilisé à la place, la sphéricité aurait alors été restaurée et il n'y aurait pas d'erreurs systématiques de l'angle de vision inconnu. Par ce léger changement dans la procédure d'observation, les supernovae de type Ia pourraient devenir des critères cosmiques encore plus fiables.
Implications théoriques
La détection actuelle des caractéristiques spectrales polarisées suggère fortement que, pour comprendre la physique sous-jacente, la modélisation théorique des événements de supernovae de type Ia devra être effectuée dans les trois dimensions avec plus de précision que ce qui est actuellement fait. En fait, les calculs hydrodynamiques disponibles, très complexes, n'ont jusqu'à présent pas été en mesure de reproduire les structures exposées par SN 2001el.
Plus d'information
Les résultats présentés dans ce communiqué de presse ont été décrits dans un article de recherche dans «Astrophysical Journal» («Spectropolarimetry of SN 2001el in NGC 1448: Asphericity of a Normal Type Ia Supernova» par Lifan Wang et co-auteurs, Volume 591, p . 1110).
Remarques
[1]: Il s'agit d'un laboratoire national coordonné ESO / Lawrence Berkeley / Univ. of Texas Press Release. Le communiqué de presse LBNL est disponible ici.
[2]: L'équipe est composée de Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter H? Flich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson et Peter Lundqvist.
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
