SN 1987A, une supernova dans une galaxie voisine de la Voie lactée. Photo: NASA/ESA/R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et Gordon et Betty Moore Foundation), ET M. Mutchler ET R. Avila (STScI)
Aussi foudroyantes qu’imprévisibles, les supernovas constituent l’un des cataclysmes les plus violents de l’Univers. Une observation en direct dans notre galaxie permettrait d’en percer les mystères. Scientifiques et astronomes du dimanche s’y préparent !
Au moment où vous aurez fini de lire cette phrase, une ou peut-être même deux étoiles auront tragiquement terminé leur vie dans le cosmos en une puissante explosion appelée supernova. Mais ne vous emballez pas trop ! Comme l’Univers est vaste et que la majorité de ces cataclysmes surviennent à des millions, voire à des milliards d’années-lumière de la Terre, circulez, il n’y a rien à voir !
Des télescopes puissants ont néanmoins repéré plus de 5000 supernovas dans de très lointaines galaxies. Mais plusieurs spécialistes croient que l’heure va bientôt sonner pour la Voie lactée : une supernova devrait y exploser d’ici une cinquantaine d’années. « On ne la ratera pas ! » assure Clarence Virtue, professeur émérite au Département de physique de l’Université Laurentienne, en Ontario. Le spectacle promet d’être grandiose, ajoute-t-il. « Une seule supernova dans une galaxie pas trop loin de la nôtre peut briller comme cent milliards d’étoiles pendant des mois ! »
En fait, au cours des 2000 dernières années, il n’y a eu que sept supernovas suffisamment proches pour que l’humain les observe à l’œil nu ou avec de petits télescopes optiques et les documente. La plus récente date de 1987 ; elle est survenue dans une galaxie voisine, celle du Grand Nuage de Magellan. Pour ce qui est de notre propre galaxie toutefois, la dernière remonte… à 1604, avant même l’invention du télescope ! L’astronome allemand Johannes Kepler avait observé ce qu’il croyait être alors une stella nova, une nouvelle étoile, dans la constellation Ophiuchus. On est donc largement « dus » : statistiquement, on s’attend en théorie à ce qu’il y en ait deux ou trois par siècle.
Pour avertir les astronomes juste avant que ne survienne l’événement tant attendu, l’équipe de Clarence Virtue travaille à l’élaboration du Système d’alerte précoce SuperNova 2.0, mieux connu sous l’acronyme SNEWS 2.0. Et contrairement à ce que l’on pourrait croire, ce n’est pas en scrutant le ciel qu’on risque de détecter les premiers signes de la prochaine supernova… mais plutôt à deux kilomètres sous la Terre !
Car en explosant, les supernovas relâchent en quelques secondes des quantités faramineuses de neutrinos (on parle de 1058 !). Ces particules élémentaires de masse pratiquement nulle s’échappent de l’étoile avant même la lumière.
Elles constituent donc le premier signal à pouvoir nous parvenir, telle une alarme sismique qui sonnerait plusieurs secondes avant un tremblement de terre. Le réseau SNEWS 2.0 rassemble ainsi plusieurs détecteurs de neutrinos sur la planète, dont le SNOLAB, où travaille Clarence Virtue. « Le SNOLAB est situé au fond d’une mine de nickel de Sudbury, en Ontario, là où aucun rayon cosmique ne gêne nos recherches. On souhaite traquer des neutrinos qui sont engendrés par des réactions nucléaires, notamment au cœur des supernovas. Si on les capte dans plusieurs observatoires comme le nôtre, situés un peu partout sur la Terre, on pourra avertir les astronomes qu’une supernova sera visible dans le ciel quelques minutes, voire quelques heures plus tard. » Le système alertera alors par courriel quelque 3000 scientifiques et astronomes amateurs.
Le rêve ! Car les supernovas peuvent nous apprendre toutes sortes de choses sur l’évolution des étoiles, sur la formation de la matière et même sur l’origine de la vie. Et plus elles sont proches, plus il y a de données. Tous les adeptes d’astronomie sont donc aux aguets !
L’étoile en fin de vie WR-124. Photo: ESA/Hubble and NASA
Une étoile sur le point d’exploser
Les supernovas, les étoiles à neutrons qui en résultent et leurs rémanents (des nuages formés des poussières et des gaz expulsés) sont des objets d’étude fascinants, souligne Patrice Bouchet. « Les supernovas sont devenues à la mode après 1987, et on en découvre toujours plus dans de lointaines galaxies, grâce aux coups de chance et aux outils d’observation toujours plus puissants… De 20 supernovas découvertes en 1987, nous sommes arrivées à en détecter 96 en 1996… et des milliers aujourd’hui ! »
Parfois, les scientifiques découvrent de nouvelles supernovas grâce à leur cadavre et, d’autres fois, on les observe en direct avec des télescopes spatiaux, comme Hubble ou James-Webb.
En mars dernier, le célèbre télescope spatial à infrarouge de la NASA a capté des images impressionnantes d’une étoile en voie de devenir une supernova appelée WR-124. Située à 15 000 années-lumière de la Terre dans la constellation du Sagittaire, cette étoile est au stade Wolf-Rayet, une étape que certaines supergéantes atteignent avant de devenir des supernovas et qui rejette énormément de gaz et de poussières, qui prennent, sur les images du télescope spatial, la forme d’une couronne.
Des premières minutes cruciales
Alors que le nuage de poussière et de matière éjectées par une supernova, nommé « rémanent », peut rester visible pendant des milliers d’années, c’est ce qui se passe dans les toutes premières secondes qui permettra aux scientifiques de mieux comprendre le déroulement de l’explosion. « On sait déjà que les électrons et les protons fusionnent en neutrons pour former un noyau encore plus dense. C’est ce qui libère énormément d’énergie, retransmise à 99 % sous la forme de neutrinos », explique Nicolas Prantzos, directeur de recherche à l’Institut d’astrophysique de Paris du Centre national de la recherche scientifique.
L’observation en direct de la supernova de 1987, appelée Supernova 1987A ou SN 1987A, a été riche en informations, même si on a manqué les premiers instants de l’explosion. Il était 2 h 40 du matin le 24 février quand l’astronome canadien Ian Shelton, qui était alors basé à l’Observatoire de Las Campanas, au Chili, et son collègue Oscar Duhalde ont remarqué un petit point lumineux inusité dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie naine près de la Voie lactée qui n’est visible que depuis l’hémisphère Sud. « Je me suis empressé de le regarder avec un télescope de 10 cm que j’avais avec moi. Un calcul rapide m’a permis de déduire que cet astre était 100 millions de fois plus brillant que le Soleil. J’ai tout de suite su que ça ne pouvait être qu’une supernova ou un cataclysme de ce genre », dit Ian Shelton, qui enseigne aujourd’hui l’astronomie au Département de physique de l’Université métropolitaine de Toronto.
Il venait en fait d’assister à la foudroyante mort de l’étoile Sanduleak. « J’étais tout excité, car je savais que la dernière observation du genre remontait à 400 ans. Mais je savais aussi que le temps pressait, car c’était une supernova âgée d’une seule journée, et une tonne de choses ne peuvent être observées que durant les premières heures, voire les premières minutes du phénomène. La poussière, les rayons X et ultraviolets viennent ensuite perturber l’observation. Il fallait avertir le reste du monde, et vite ! » raconte-t-il.
Parmi les experts rapidement alertés figurait l’astronome français Patrice Bouchet, qui travaillait sur cette même montagne du désert d’Atacama, mais qui avait congé ce jour-là. Il a rapidement quitté la plage et sa famille pour gagner l’Observatoire européen de La Silla. « Ma chance a été d’avoir en ma possession un télescope à infrarouge ; les Américains et les Canadiens n’en avaient pas. À partir du mois de mars, le Grand Nuage de Magellan est très bas, ce qui rend plus difficile l’observation nocturne. Le télescope à infrarouge nous a permis d’avoir un point d’observation constant, même le jour », précise l’astronome, qui a eu, comme bien d’autres, un véritable coup de foudre pour cette étoile agonisante… « Je suis resté sur la montagne jour et nuit à observer la supernova, qui a brillé pendant cinq mois. »
Les scientifiques ont compris seulement après coup l’importance du signal « neutrinos », celui que tout le monde attend fébrilement aujourd’hui. « À l’époque, on tentait de capter les neutrinos émis par le Soleil. Puis les neutrinos de SN 1987A ont atteint la Terre, c’est-à-dire qu’ils ont percuté la Terre dans l’hémisphère Sud et l’ont traversé avant d’être captés dans l’hémisphère Nord ! On a relevé leur présence à trois endroits dans des détecteurs souterrains situés au Japon, aux États-Unis et en URSS. Une fois les horloges ajustées, les trois observatoires ont constaté qu’une vingtaine de neutrinos avaient percuté leurs détecteurs au même moment », explique Nicolas Prantzos. Du jamais vu !
Depuis, les instruments n’ont cessé d’évoluer. Si un tel spectacle survient dans notre galaxie, on s’attend à détecter non pas une vingtaine de neutrinos, mais plusieurs milliers ! Une manne de précieuses informations, étant donné la rareté de ces particules, dont on cherche encore à décrypter la nature.
En outre, les astronomes sont prêts à observer l’explosion sous tous les angles : rayons gamma, rayons X, ondes radio… Mieux encore, ils disposent désormais de détecteurs d’ondes gravitationnelles : cela tombe bien, car l’énergie de l’explosion produit aussi ces ondes, qui déforment le tissu élastique de l’espace-temps, et qui pourraient affoler les détecteurs LIGO et Virgo. On est donc parés !
Vue d’artiste de SN 1987A qui montre la distribution de la matière expulsée. Photo : ESO/L. Calçada
Possible détection de l’étoile à neutrons de SN 1987A
Que reste-t-il d’une étoile après l’explosion ? « Uniquement son noyau de fer, qui deviendra une étoile à neutrons, sauf si l’étoile génitrice était très, très massive. Là, on croit plutôt qu’elle deviendra un trou noir », explique Patrice Bouchet, chef de projet au Centre d’expertise MIRI du télescope spatial James-Webb.
L’astronome français demeure fidèle à son premier amour, SN 1987A. « Grâce aux infrarouges, James-Webb nous permet de voir à travers le nuage de poussière laissé par la supernova pour savoir s’il y a quelque chose derrière. » Ce « quelque chose » derrière le rémanent de SN 1987A serait sa mythique étoile à neutrons, qui n’a pas encore été formellement observée, même après plus de 30 ans.
Mais cela ne devrait pas tarder ! Depuis 2020, plusieurs articles scientifiques, dont une étude théorique et deux autres études fondées sur les observations du télescope spatial à rayons X Chandra, de la NASA, et du radiotélescope ALMA, rapportent l’avoir possiblement localisée. Patrice Bouchet préfère jouer de prudence : « Vous lirez certainement bientôt des nouvelles sensationnalistes qui rapportent qu’on a détecté l’étoile à neutrons grâce au télescope James-Webb. On a quelques suspicions, mais il faut comparer toutes les données. On n’est pas encore vraiment prêts pour le confirmer. » À suivre !
La mort des étoiles
Mais quelles conditions doivent être réunies pour que ce fabuleux spectacle se produise et soit observable sur Terre ? Sur la centaine de milliards d’étoiles que compte la Voie lactée, on pourrait s’attendre à un feu d’artifice permanent… Sauf que toutes les étoiles ne subissent pas un tel sort en s’éteignant. Il y a deux types principaux de supernovas : les thermonucléaires et les gravitationnelles.
La stella nova observée par Kepler dans la Voie lactée en 1604 était une supernova thermonucléaire, aussi appelée supernova de type Ia (à prononcer 1-a). « La supernova thermonucléaire survient dans des systèmes stellaires binaires, où deux étoiles orbitent autour d’un centre de gravité commun. L’un des astres, très ancien et dense appelé naine blanche, accrète de la matière provenant d’une étoile voisine plus jeune », résume Patrice Bouchet, qui coordonne l’équipe européenne responsable de l’observation des supernovas avec le télescope spatial James-Webb.
Par un phénomène de transfert de masse, la vieille naine blanche, de la grosseur de la Terre, arrache à son étoile voisine une partie de son enveloppe gazeuse jusqu’à atteindre la taille critique de 1,44 fois la masse du Soleil. « À cette masse précise, l’équilibre de la naine blanche est rompu, et elle explose », poursuit Patrice Bouchet.
En 1606, Johannes Kepler a publié un livre sur la supernova qu’il avait aperçue deux ans plus tôt. Il croyait avoir découvert une nouvelle étoile. Photo: Institut de technologie de Californie
Trois décennies avant la stella nova, soit en 1572, l’astronome danois Tycho Brahe – l’un des mentors de Kepler – avait lui aussi observé le même type de supernova dans la constellation de Cassiopée. « Ils ont eu de gros coups de chance, car on sait aujourd’hui que ce type de supernovas ne survient que quatre ou cinq fois par millénaire dans la Voie lactée ! » précise Nicolas Prantzos.
L’autre type est la supernova gravitationnelle, plus fréquente, aussi connue sous les noms de supernova de type II ou supernova à effondrement de cœur. C’est celle-ci qu’on attend avec impatience sur Terre ! Ce phénomène survient lorsqu’une énorme étoile épuise son combustible et s’effondre sous l’effet de sa propre gravité. Sa matière, qui n’a pu être fusionnée en son cœur, est dispersée avec force dans l’Univers.
La supernova de 1987 était de ce type. Patrice Bouchet, qui étudie encore aujourd’hui SN 1987A sous tous ses angles, explique que, lors de l’effondrement de l’étoile, la matière qui se trouve sur ses couches extérieures heurte la surface dure du noyau de neutrons (on se souvient que les électrons et les protons fusionnent libérant des neutrinos). Les particules partent alors dans toutes les directions dans le cosmos, c’est l’explosion ou « le rebond », terme préféré par Patrice Bouchet. « On sait que des éléments chimiques qui ne se trouveraient pas autrement dans l’Univers sont alors formés puis dispersés. Sans supernova gravitationnelle, il n’y aurait pas de fluor dans votre dentifrice ! » souligne le chercheur.
De récentes études avancent même qu’il n’y aurait carrément pas d’oxygène dans notre système solaire sans les explosions d’étoiles massives dans le cosmos. En 2017, des données recueillies par la NASA avec son télescope spatial à rayons X Chandra ont confirmé que les supernovas propulsent en quantité astronomique des éléments essentiels à la fabrication de l’ADN, dont l’oxygène et le carbone.
En pointant ses capteurs vers les restes de la célèbre supernova Cassiopée A, située dans la constellation du même nom, Chandra a pu analyser les émissions de rayons X de l’objet céleste sous diverses longueurs d’onde. Le télescope a pu détecter des éléments comme du silicium, du fer, du calcium et de l’oxygène, qui ont été projetés par la déflagration stellaire survenue à 11 000 années-lumière de la Terre et qui, bien qu’elle n’ait fait l’objet d’aucune observation documentée, aurait été visible sur Terre en 1667. Les scientifiques ont estimé que l’explosion a injecté dans le cosmos l’équivalent de 70 000 fois la masse de la Terre en fer… et près d’un million de fois la masse terrestre d’oxygène !
Ce sont des découvertes majeures, souligne Patrice Bouchet. « Quand j’étais à l’école, on nous disait que les poussières dans l’Univers venaient toutes des étoiles qui expulsent leur enveloppe extérieure en fin de vie. Or, avec les télescopes spatiaux, on s’est rendu compte qu’il y avait des galaxies très, très lointaines, et donc très, très jeunes, qui étaient remplies de poussières. Tellement jeunes qu’elles ne pouvaient pas avoir hébergé d’étoiles classiques, qui vivent jusqu’à treize milliards d’années avant de mourir. Comment la poussière avait-elle été produite sans étoile morte ? Avec SN 1987A, nous avons découvert que les supernovas propulsaient énormément de poussière dans le cosmos. En d’autres mots, nous croyons que la poussière des galaxies très jeunes provient des supernovas gravitationnelles, issues d’étoiles qui ne mettent que quelques millions d’années à exploser. C’est fondamental pour la compréhension de l’Univers et l’émergence de la vie, car sans poussière de carbone ou d’oxygène, il n’y a pas de vie ! »
Les supernovas gravitationnelles, sources de vie
Sans supernovas gravitationnelles, pas de sel, d’aluminium… ni de vie sur Terre ! Les plus récentes études, notamment menées grâce aux observations de Hubble et James-Webb, ont démontré que des éléments aussi vitaux que l’oxygène ne se trouveraient pas sur Terre sans explosion d’étoiles massives. Pour comprendre comment ces éléments sont produits, il faut remonter à la genèse des étoiles, qui survient dans un nuage de poussières et de gaz – essentiellement de l’hydrogène, de l’hélium et du lithium. Rapidement, les futures supernovas à effondrement de cœur se distinguent de la grande majorité des étoiles formées dans le même nuage par leur taille. « Généralement, il s’agit de géantes rouges, soit des étoiles 8, voire 20 ou 100 fois plus massives que le Soleil », précise Nicolas Prantzos, de l’Institut d’astrophysique de Paris.
Pour résister à sa propre gravité et rester en équilibre, la supergéante rouge doit produire beaucoup d’énergie, grâce à des réactions de fusion nucléaire – les atomes d’hydrogène fusionnent rapidement dans son cœur pour devenir de l’hélium. Cette étape ne dure que quelques millions d’années chez les supergéantes rouges, contrairement aux étoiles moins grandes, comme le Soleil, qui peuvent mettre des milliards d’années à réaliser cette fusion.
« Les géantes rouges meurent avant même que les étoiles de la taille du Soleil dans le même nuage ne soient formées. Même si les réactions nucléaires qui se produisent au centre des géantes rouges n’ont jamais été observées en direct, on comprend qu’elles s’accélèrent toujours plus et qu’elles génèrent énormément de chaleur », explique Laurent Drissen, astrophysicien et professeur au Département de physique, de génie physique et d’optique de l’Université Laval.
Ces fusions nucléaires très rapides produisent des éléments toujours plus lourds, comme le carbone, le néon et l’oxygène. À ce stade, la plupart des petites étoiles manquent de carburant pour poursuivre la fusion des éléments… mais pas les géantes rouges ! Leur noyau se contracte sous l’effet de la gravité, ce qui pousse l’hydrogène des couches supérieures à atteindre la coquille : la fusion des éléments se poursuit, jusqu’au fer, un élément extrêmement lourd et stable… Trop stable, et qui ne peut plus fusionner ! L’étoile n’arrive plus à injecter suffisamment de carburant pour contrecarrer la gravité du fer : elle s’effondre sur elle-même.
Faites vos jeux
MIRI, un instrument infrarouge de James-Webb, a révélé comme jamais le rémanent de Cassiopée A, une enveloppe de poussières et de gaz. Photo : NASA/ESA/CSA/D. Milisavljevic (Purdue)/T. Temim (Princeton)/I. De Looze (Université de Gand)
Quelle sera la prochaine supernova qui illuminera et qui ensemencera la Voie lactée ? Faut-il miser sur Bételgeuse, la célèbre étoile d’Orion à la luminosité chancelante, ou plutôt sur Êta de la Carène, une étoile supermassive située à 7500 années-lumière de la Terre ? Les paris sont ouverts ; rien ne permet de prédire avec précision laquelle explosera en premier… ni quand ! « On n’a pas encore eu accès au noyau d’une supernova et on ne comprend pas très bien son mécanisme. On espère qu’en en observant une dans la Voie lactée, on pourra mieux déterminer quand une étoile sera sur le point de devenir une supernova », explique Laurent Drissen, professeur au Département de physique, de génie physique et d’optique de l’Université Laval.
C’est justement là que le système d’alerte précoce SNEWS 2.0 prend tout son sens. « On ne pourra pas capter de neutrinos venant de plus loin que notre galaxie. Par exemple, les neutrinos d’une supernova dans Andromède, la galaxie spirale la plus proche de la Voie lactée, ne seront pas observables sur Terre », souligne Clarence Virtue, qui travaille sur le programme depuis 20 ans.
L’alerte permettra-t-elle aux scientifiques de pointer leur télescope au bon endroit ? « Oui, si les particules fantomatiques sont captées par le détecteur Super-Kamiokande, au Japon, car sa technologie est très poussée et permet de localiser leur source avec précision. Pour ce qui est des autres observatoires, comme le SNOLAB, on travaille sur des algorithmes assez compliqués, qui permettent d’analyser les données obtenues simultanément par tous les détecteurs. En faisant une sorte de triangulation, on pourra dire où l’événement s’est produit dans le ciel. Des courriels seront envoyés à la communauté astronomique, mais aussi des alertes, qui permettront de contrôler à distance des télescopes pour les tourner rapidement vers le bon endroit dans le ciel de manière automatisée », décrit Clarence Virtue, qui se désole de la fermeture, en août 2023, du Département de physique de l’Université Laurentienne, le seul à étudier d’aussi près les neutrinos des supernovas au pays.
Et il n’y a pas que les observatoires de haut calibre qui seront réquisitionnés. Patrice Bouchet souligne que l’armada d’astronomes amateurs, prête à sortir un télescope standard en quelques secondes, sera essentielle pour immortaliser les premiers moments du phénomène. « Les télescopes professionnels ont de grandes lentilles qui laissent entrer trop de lumière pour un objet proche. Les amateurs ont de petits instruments à portée de main, qu’ils peuvent régler rapidement pour prendre des photos. On pourra mesurer la luminosité de l’astre en fonction de l’endroit où les milliers d’observateurs se trouvent. Les grands télescopes professionnels seront importants par la suite », dit-il. L’Association des astronomes amateurs du Chili, qu’il préside, est d’ailleurs déjà prête.
En mai dernier, une sorte de répétition générale a eu lieu, avec la découverte visuelle par un astronome japonais de SN 2023ixf, la supernova la plus proche de nous depuis 10 ans. Située dans la galaxie M101, elle est apparue dans la constellation de la Grande Ourse et a pu être observée par des milliers de petits télescopes.
Le professeur de l’Université métropolitaine de Toronto Ian Shelton croit lui aussi que les adeptes d’astronomie ont intérêt à tourner plus souvent leur regard vers le ciel. « J’encourage quiconque sait lire le ciel nocturne et connaît les constellations de base à scruter le ciel. Gardez en tête que, si vous voyez une étoile supplémentaire qui ne se trouve pas sur la trajectoire habituelle des planètes, eh bien, vous venez de faire une grande découverte ! »
Des supernovas pour mesurer l’expansion de l’Univers
Les supernovas thermonucléaires sont très importantes en astrophysique, puisque toutes les explosions sont similaires. On peut connaître l’énergie de l’explosion et déduire facilement sa distance en fonction de la luminosité qu’on reçoit sur Terre. Elles deviennent donc des chandelles standards, c’est-à-dire des balises qui ont permis notamment de mesurer la vitesse de l’expansion de l’Univers. « Au cours des dernières années, on a pu observer des dizaines, voire des centaines de supernovas thermonucléaires, parfois situées à des milliards d’années-lumière. On a alors vu comment l’expansion de l’Univers s’était accélérée récemment, contrairement au ralentissement auquel on s’attendait » explique l’astrophysicien Nicolas Prantzos. Imaginez jeter un caillou depuis la Terre vers le haut. Au départ, le caillou monte très vite et puis, en gagnant en altitude, il finit par monter moins vite, car la gravité l’attire vers le sol. C’est ce à quoi on s’attendrait avec l’Univers : un ralentissement de l’expansion dû à la force de gravité exercée par toute la matière cosmique. « Or, grâce aux supernovas, on a constaté que l’univers se dilate de plus en plus vite, plutôt que de ralentir sous les forces gravitationnelles, un peu comme si le caillou était emporté par une fusée ! » poursuit-il. Cette découverte de l’expansion accélérée de l’univers, couronnée par un prix Nobel de physique en 2011, est la prémisse d’une révolution cosmologique et à la base d’un tout nouveau champ d’études en physique, celui de l’énergie sombre, cette mystérieuse « fusée », dont on ne sait encore rien, mais qui pousse le cosmos à s’étendre de plus en plus vite.
