Une équipe internationale a analysé les données du télescope spatial Fermi de la NASA et a détecté des rayons gamma provenant d’une supernova rare et exceptionnellement lumineuse. Selon les scientifiques, la luminosité de cette explosion aurait été amplifiée par la naissance d’une étoile à neutrons surmagnétisée, appelée magnétar, issue de l’effondrement de l’étoile à l’origine de la supernova.
Les résultats de cette recherche ont été publiés le 20 mai dans la revue Astronomy & Astrophysics.
Crédit: ESA
Des explosions stellaires hors norme
Les supernovas à effondrement de coeur se produisent lorsqu’une étoile, bien plus massive que notre Soleil, épuisant son carburant, s’effondre sur elle-même avant d’exploser. Cet effondrement peut donner naissance à une étoile à neutrons de la taille d’une ville, voire à un trou noir encore plus petit. L’onde de choc projette alors le reste de l’étoile dans l’espace, formant un nuage de gaz ionisé, chaud et dense, qui s’étend rapidement.
Au cours des deux dernières décennies, près de 400 supernovas exceptionnelles de ce type, baptisées supernovas superlumineuses, ont été identifiées. Chacune d’elles a produit au moins dix fois plus de lumière visible qu’une supernova classique.
En 2024, une étude dirigée par Li Shang, de l’Université d’Anhui à Hefei (Chine), a révélé que le télescope Fermi aurait détecté des rayons gamma émis par une supernova superlumineuse survenue des années plus tôt. Surnommée SN 2017egm, cette explosion surpuissante s’est produite dans la galaxie NGC 3191, située à environ 440 millions d’années-lumière de la Terre, dans la constellation de la Grande Ourse. Malgré cette distance, elle reste l’une des plus proches de son genre jamais observée.
Les scientifiques ont recherché des rayons gamma émis par les six supernovas superlumineuses les plus proches détectées durant les 16 premières années de la mission Fermi. Seul SN 2017egm présente des traces de rayons gamma, confirmant ainsi que certaines supernovas peuvent être aussi lumineuses en rayons gamma qu’en lumière visible. Cela ouvre une nouvelle voie pour étudier ces phénomènes.
L’image de droite, prise le 1er juillet 2017, montre la supernova éclipsant toute sa galaxie.
© à gauche, SDSS and PS1; à droite, NOT+ALFSOC/Bose et al. 2020
Le rôle des magnétars
Les scientifiques débattent depuis longtemps des sources d’énergie capables de donner à ces explosions une puissance si exceptionnelle. Parmi les hypothèses, la formation d’un magnétar — une étoile à neutrons dotée des champs magnétiques les plus intenses connus, jusqu’à 1 000 fois plus puissants que ceux des étoiles à neutrons classiques — figure en tête de liste. Pour donner une idée, cela représente 10 000 milliards de fois l’intensité d’un aimant de réfrigérateur !
L’équipe a analysé en profondeur les caractéristiques optiques et gamma de la supernova pour comparer différents modèles théoriques. Un modèle développé par les co-auteurs Indrek Vurm (Université de Tartu, Estonie) et Brian Metzger (Université Columbia, New York) a simulé comment la lumière et les particules produites par un magnétar nouvellement formé interagissent avec les débris en expansion de la supernova.
Un mécanisme complexe
Un magnétar fraîchement formé tourne sur lui-même plus de 100 fois par seconde. Cette rotation rapide génère un flux intense d’électrons et de positrons (leurs équivalents en antimatière), formant un vaste nuage de particules énergétiques. Dans ce nuage, appelé nébuleuse de vent de pulsar (ou magnétar dans ce cas précis), diverses interactions alimentent la production et l’absorption de rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique qui soit. Ainsi, les rayons gamma interagissent avec les débris de la supernova. Incapables de s’échapper directement, ils sont convertis en lumière visible de plus faible énergie, ce qui renforce la luminosité de la supernova.
Environ trois mois après l’effondrement, alors que les débris de la supernova s’étendent et se refroidissent, les rayons gamma commencent à s’échapper. Le modèle du magnétar reproduit le mieux la luminosité de la supernova et le moment où ses rayons gamma sont arrivés durant les premiers mois, mais des améliorations sont nécessaires pour expliquer les phases ultérieures, lorsque la lumière visible s’estompe de manière irrégulière.
Des processus supplémentaires
Les scientifiques suggèrent que d’autres mécanismes ont probablement joué un rôle dans le déclin prolongé de SN 2017egm, comme la chute de débris sur le magnétar ou les interactions entre l’onde de choc et la matière éjectée par l’étoile des siècles avant sa mort.
L’équipe a également évalué la capacité d’un nouvel observatoire au sol en rayons gamma, le Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), à détecter des événements similaires à SN 2017egm. Avec environ 50 heures d’observation, un tel phénomène pourrait être repéré jusqu’à 500 millions d’années-lumière et ouvrirait de nouvelles perspectives pour étudier le rôle des magnétars dans les événements énergétiques dans l’Univers.
Le réseau de télescopes CTAO est en cours de construction avec deux sites: le premier sur l’île de La Palma aux Canaries et au Chili dans le désert d’Atacama. Le CNRS est un des acteurs majeurs de ce consortium.
