Les étoiles explosent dans des galaxies poussiéreuses – nous ne pouvons pas toujours les voir

L’image montre la galaxie Arp 148, capturée par les télescopes Spitzer et Hubble de la NASA. Des données Spitzer spécialement traitées apparaissent à l’intérieur du cercle blanc, révélant la lumière infrarouge d’une supernova cachée par la poussière. C’est l’une des cinq supernovae cachées documentées pour la première fois dans un article récent. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Les étoiles qui explosent génèrent des spectacles de lumière passionnants. Les télescopes infrarouges tels que Spitzer sont capables de voir à travers la brume et donnent une meilleure idée de la fréquence à laquelle ces éruptions se produisent.

On pourrait penser que les supernovae – l’agonie des étoiles massives et parmi les explosions les plus brillantes et les plus puissantes de l’univers – seraient difficiles à manquer. Cependant, le nombre de telles explosions observées dans les parties les plus éloignées de l’univers est bien inférieur aux attentes des astrophysiciens.

Nouvelle étude utilisant les données de NasaLe télescope spatial Spitzer récemment retiré a rapporté la découverte de cinq supernovae qui n’avaient jamais été vues auparavant, non détectées à la lumière optique. Spitzer a vu l’univers dans la lumière infrarouge, qui pénètre à travers les nuages ​​de poussière qui bloquent la lumière optique – le genre de lumière que nos yeux voient et que les supernovae non obstruées rayonnent le plus brillamment.

Pour rechercher des supernovae cachées, les chercheurs ont étudié les observations de Spitzer sur 40 galaxies poussiéreuses. (Dans l’espace, la poussière fait référence à des particules ressemblant à des grains avec une consistance similaire à la fumée.) Sur la base du nombre qu’elles ont trouvé dans ces galaxies, l’étude confirme que les supernovae se produisent en effet aussi fréquemment que les scientifiques s’y attendent. Cette prédiction est basée sur la compréhension actuelle des scientifiques de l’évolution des étoiles. Des études comme celle-ci sont nécessaires pour améliorer cette compréhension, soit en renforçant ou en remettant en cause certains aspects de celle-ci.

Téléchargez cette affiche gratuite de la NASA, qui commémore le télescope spatial Spitzer à la retraite. Crédit : NASA/JPL-Caltech

« Ces résultats avec Spitzer montrent que les relevés optiques sur lesquels nous comptons depuis longtemps pour détecter les supernovae manquent jusqu’à la moitié des sursauts d’étoiles qui se produisent dans l’univers », a déclaré Ori Fox, scientifique au Space Telescope Science Institute. à Baltimore. Maryland, et auteur principal de la nouvelle étude, qui a été publiée dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. « C’est une très bonne nouvelle que le nombre de supernovae que nous voyons avec Spitzer soit statistiquement cohérent avec les prédictions théoriques. »

Le « paradoxe de la supernova » – l’écart entre le nombre de supernovae prédites et le nombre observé par les télescopes optiques – n’est pas un problème dans l’univers proche. Là-bas, les galaxies ont ralenti le rythme de formation des étoiles et sont généralement moins poussiéreuses. Dans les régions les plus éloignées de l’univers, cependant, les galaxies semblent plus jeunes, produisent des étoiles à des taux plus élevés et ont tendance à contenir de plus grandes quantités de poussière. Cette poussière absorbe et diffuse la lumière optique et ultraviolette, l’empêchant d’atteindre les télescopes. Les chercheurs ont donc longtemps pensé que les supernovae manquantes devaient exister et être invisibles.

« Parce que l’univers local s’est un peu calmé depuis ses premières années de formation d’étoiles, nous voyons le nombre attendu de supernovae avec des recherches optiques typiques », a déclaré Fox. « Cependant, le taux de détection de supernova observée diminue à mesure que vous avancez et remonte aux âges cosmiques où les galaxies les plus poussiéreuses prédominaient. »

Détecter des supernovae à de si grandes distances peut être difficile. Pour mener une recherche de supernovae entourées de mondes galactiques mystérieux mais à des distances moins extrêmes, l’équipe de Fox a sélectionné un groupe local de 40 galaxies étouffées par la poussière, connues sous le nom de galaxies infrarouges lumineuses et ultra-lumineuses (LIRG et ULIRG, respectivement). La poussière dans les LIRG et les ULIRG absorbe la lumière optique d’objets tels que les supernovae, mais permet au rayonnement infrarouge de ces mêmes objets de passer sans obstruction jusqu’à ce que des télescopes comme Spitzer puissent le détecter.

L’intuition des chercheurs s’est avérée correcte lorsque les cinq supernovae jamais vues auparavant sont apparues dans la lumière (infrarouge). « C’est un témoignage du potentiel de découverte de Spitzer que le télescope ait pu capter le subtil signal de supernova de ces galaxies poussiéreuses », a déclaré Fox.

Co-auteur de l’étude Alex Filippenko, professeur d’astronomie à Université de Californie, Berkeley. « Ils ont aidé à répondre à la question : « Où sont passées toutes les supernovae ? » « 

Les types de supernovae découverts par Spitzer sont connus sous le nom de « supernovae d’effondrement de base », qui comprennent des étoiles géantes dont la masse est au moins huit fois celle du Soleil. À mesure qu’elles vieillissent et que leurs noyaux se remplissent de fer, les grandes étoiles ne peuvent plus produire assez d’énergie pour résister à leur propre gravité, et leurs noyaux s’effondrent soudainement et de manière catastrophique.

Les pressions et températures intenses générées lors des vêlages rapides forment de nouveaux éléments chimiques par fusion nucléaire. Les étoiles effondrées finissent par rebondir sur leurs noyaux ultra-denses, se faisant exploser en minuscules morceaux et dispersant ces éléments dans l’espace. Les supernovae produisent des éléments « lourds », comme la plupart des métaux. Ces éléments sont essentiels à la construction des planètes rocheuses, comme la Terre, ainsi que des organismes biologiques. En général, les taux de supernova sont un examen important des modèles de formation d’étoiles et de la formation d’éléments lourds dans l’univers.

« Si vous avez une indication du nombre d’étoiles qui se forment, vous pouvez prédire combien vont exploser », a déclaré Fox. « Ou, inversement, si vous avez une indication du nombre d’étoiles qui explosent, vous pouvez prédire combien d’étoiles se forment. Comprendre cette relation est essentiel pour de nombreux domaines d’étude en astrophysique. »

Les télescopes de nouvelle génération, dont le télescope spatial Roman Nancy Grace de la NASA et le télescope spatial James Webb, détecteront la lumière infrarouge, comme Spitzer.

« Notre étude a montré que les modèles de formation d’étoiles sont plus cohérents avec les taux de supernova qu’on ne le pensait auparavant », a déclaré Fox. « En révélant ces supernovae cachées, Spitzer a ouvert la voie à de nouveaux types de découvertes avec les télescopes spatiaux Webb et romains. »

Référence : « Un Spitzer A survey of dust-obscured supernovae » par Uri de Vox, Harish Khandrika, David Rubin, Chadwick Casper, Gary Z Lee, Tamas Szalay, Lee Armos, Alexei V. Filipenko, Michael F. Skrutsky, Lou Strulger et Schuyler de Van Dyck, 21 juin 2021 et Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stab1740

En savoir plus sur la mission

Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud a mené des opérations de mission et commandé la mission du télescope spatial Spitzer pour la direction des missions scientifiques de l’agence à Washington. Les opérations scientifiques ont été menées au Spitzer Science Center du California Institute of Technology à Pasadena. Les opérations des engins spatiaux étaient basées à Lockheed Martin Space à Littleton, Colorado. Les données sont archivées dans les archives scientifiques infrarouges situées à l’IPAC du California Institute of Technology. Caltech s’exécute Laboratoire de propulsion à réaction à la Nasa.