Supernova

Les astronomes ont peut-être vu une étoile s'effondrer directement dans un trou noir

2025

L'un des truismes de base en astronomie est que, lorsqu'une étoile massive termine sa vie, elle s'éteint avec un bang. UNE grand un. Une supernova.

Cette explosion titanesque se déclenche lorsque l'étoile manque de combustible nucléaire dans son cœur. Le noyau s'effondre en un battement de cœur, et l'énergie générée lors de cet effondrement est si immense qu'elle fait sauter les couches externes. Cette explosion est si colossale qu'elle peut éclipser une galaxie entière ! Pendant ce temps, le noyau effondré peut former une étoile à neutrons exotique, ou peut même s'enfoncer dans un trou noir.

Maintenant, j'ai sauté quelques étapes là-bas, mais c'est l'image générale (si vous en voulez plus, consultez mon épisode d'astronomie de cours accéléré sur les étoiles de grande masse et les supernovae ). Si vous voulez un trou noir, vous devez faire exploser une étoile massive.

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À l'exception, peut être pas . Il s'avère qu'il existe une faille qui pourrait permettre à une étoile de contourner la partie supernova. Il s'effondre directement dans un trou noir sans explosion. De l'énergie est libérée, mais pas beaucoup par rapport à une supernova, et à la fin ce que vous obtenez est une situation maintenant que vous ne voyez pas : l'étoile est là, et puis soudain... il n'est pas .

L'idée d'une supernova ratée est un problème astrophysique théorique intéressant, sur lequel un scientifique travaille depuis un certain temps maintenant. Mais il y a eu un nouveau développement passionnant : Les astronomes pensent maintenant en avoir vu un !

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La galaxie spirale de face NGC 6946, qui a accueilli 10 supernovae au cours du siècle dernier. N6946-BH1 n'est pas annoté, car il n'a pas explosé. Crédit: Pêche Damien

L'étoile en question s'appelle N6946-BH1, et elle a été trouvée dans une enquête très intéressante spécialement conçue pour rechercher des supernovae ratées. En utilisant le Grand télescope binoculaire en Arizona, 27 galaxies toutes situées à environ 30 millions d'années-lumière de la Terre ont été observées à maintes reprises. Chaque image a été minutieusement comparée aux autres pour rechercher des transitoires : des objets qui ont changé de luminosité. Même en utilisant des critères assez stricts, des milliers ont été trouvés - les étoiles changent de luminosité pour de nombreuses raisons, mais la plupart ne sont pas dues à leur transformation en supernova ... ou, dans ce cas, à leur échec en supernova.

Finalement, le nombre d'objets intéressants a été réduit à seulement 15. Six d'entre eux se sont avérés être des étoiles explosives ordinaires (si l'explosion titanesque de quelques octillions de tonnes d'étoiles criant vers l'extérieur à une fraction substantielle de la vitesse de la lumière peut être appelé ho-hum), mais neuf d'entre eux se sont avérés plus intéressants.

Parmi ceux-ci, tous sauf un étaient probablement des événements inhabituels, comme la fusion de deux étoiles, ce qui peut provoquer une très grande (et très jolie) éruption, mais encore une fois en deçà du résultat de la mort d'une étoile massive. En fin de compte, après avoir fouillé 27 galaxies pendant sept ans, il ne restait qu'un seul objet : N6946-BH1.

Dans les images précédentes, l'étoile est là, clairement visible dans la galaxie NGC 6946, une belle galaxie spirale de face à environ 20 millions d'années-lumière (et qui a eu pas moins de 10 supernovae enregistrées au cours du siècle dernier ; par coïncidence on en a vu juste cette année). Puis, dans les images ultérieures, c'est parti. Comme, disparu : Disparu. Pouf.

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Maintenant, vous le voyez... L'étoile N6946-BH1 est visible sur l'image précédente de Hubble en 2007 (à gauche) mais a disparu en 2015 (à droite). Crédit: NASA/ESA/C. Amant (OSU)

S'il avait explosé en tant que supernova, cela aurait été vu sur les images. Au lieu de cela, en 2009, il est brièvement devenu un peu plus brillant, brillant environ un million de fois plus que le Soleil ; puis il s'est tellement estompé qu'il n'était plus qu'à environ 2% de sa luminosité précédente (c'est-à-dire avant l'effondrement) en 2015. Et oui, en termes humains, un million de fois la luminosité du Soleil est terriblement brillante, mais en termes de supernova, cela vaut à peine la peine d'être mentionné; un typique brillera beaucoup des milliards de fois plus brillant que le Soleil ! C'était donc, au mieux, un peu pop.

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Alors, comment savons-nous que ce n'était pas une sorte de supernova étrange, peut-être obscurcie par beaucoup de poussière dans la galaxie hôte ? Ce matériau est sombre et opaque, et peut complètement bloquer la lumière même d'une supernova normale. Des observations de suivi à l'aide du télescope spatial Spitzer devraient révéler cela, car la lumière infrarouge peut percer la poussière. Spitzer a vu de la lumière IR de l'événement, environ 2000 à 3000 fois la luminosité du Soleil. Encore une fois, c'est beaucoup, mais loin de ce que vous attendez d'une supernova. Même une fusion stellaire produirait plus que cela.

On dirait vraiment que ce qui reste est ce que les astronomes cherchaient depuis le début : une supernova ratée.

Si c'est vrai, c'est très intéressant, en effet. Pourquoi? A cause de la physique.

Vidéo NASA/Goddard Spaceflight Center expliquant comment une étoile peut s'effondrer directement dans un trou noir.

Il faut une étoile massive pour exploser ; il doit avoir suffisamment de pression dans le noyau (causée par la masse de l'étoile au-dessus d'elle qui s'écrase dessus) pour fusionner successivement des éléments plus lourds au fil du temps. Tout d'abord, l'hydrogène fusionne en hélium. Ensuite, lorsque cela s'épuise, l'hélium est fusionné en carbone, et ainsi de suite, jusqu'à ce que le noyau accumule du fer. Lorsque le fer fusionne, il ne libère pas d'énergie ; il l'absorbe. C'est un gros problème, car c'est cette libération d'énergie de fusion qui maintient l'étoile en place (de la même manière que l'air chaud provoque l'expansion d'un ballon). Une fois que l'étoile essaie de fusionner le fer, le noyau s'effondre. Si le noyau a une masse jusqu'à environ 2,8 fois celle du Soleil, il forme un étoile à neutrons , mais s'il en a plus, il forme un trou noir .

Et en général, de toute façon, l'effondrement du noyau déclenche la supernova dans les couches externes, et kaboum .

Mais c'est là que ça devient drôle. Cela peut ne pas toujours se passer ainsi. Pour une gamme de masses de noyau, les calculs théoriques montrent que l'explosion peut caler. Les couches extérieures reçoivent un coup de pied décent, mais pas énorme. Ils explosent, mais c'est un événement plus doux que la violence sans entrave d'une supernova.

Cela dépend de nombreux facteurs, en fait, mais cela a tendance à se produire lorsque la masse totale des étoiles est environ 25 fois supérieure à celle du Soleil. En regardant les observations de N6946-BH1, c'est à peu près la masse qu'il avait.

Et il y a plus. Nous voyons beaucoup d'étoiles de grande masse naître dans les galaxies, mais il n'y a pas assez de supernovae observées pour toutes les expliquer. Cela implique que les supernovae ratées se produisent relativement souvent.

De plus, lorsque nous regardons les masses d'étoiles à neutrons et de trous noirs, nous constatons qu'il y a un écart entre eux ; les trous noirs de masse la plus faible sont encore considérablement plus massifs que les étoiles à neutrons de masse la plus élevée. Si tous ces objets compacts se formaient à partir de supernovae régulières, vous vous attendriez à ce qu'il y ait une transition en douceur. C'est parce que, dans une supernova, une grande partie de la matière de l'étoile s'attarde encore près du noyau, et cela peut retomber sur l'étoile à neutrons nouvellement formée. S'il y en a assez, l'étoile à neutrons s'effondrera alors pour former un trou noir de faible masse. Vous vous attendez donc à voir beaucoup de trous noirs juste à la limite de masse inférieure. Mais nous ne le faisons pas.

Ah, mais dans le scénario de supernova ratée, il y a beaucoup Suite matériel restant - il n'y avait pas assez d'énergie dans l'événement pour souffler toutes les couches externes. Cela retombe et ajoute sa masse à celle de l'étoile à neutrons, créant un trou noir beaucoup plus massif. Donc, en réalité, l'existence de supernovae ratées explique beaucoup de phénomènes différents.

Et maintenant, très probablement, nous en avons vu un! Plus d'observations seraient bien, cependant. Par exemple, un trou noir nouvellement formé devrait émettre beaucoup de rayons X, car le matériau se réchauffe avant de tomber dans . Si nous voyons ces rayons X, cela contribuerait grandement à comprendre ce que nous voyons.

Et encore une fois, c'est le premier que nous avons vu. Étant donné le nombre de supernovae qui étaient détecté dans l'enquête, cela implique que quelque chose comme 14% de tous les décès d'étoiles de masse élevée entraînent l'échec de supernovae. Si tel est le cas, alors nous avons besoin de plus d'yeux sur le ciel à la recherche de ces événements. Les supernovae sont ce qui crée et distribue des éléments littéralement vitaux à notre existence : le fer, le calcium et plus encore. Sans eux, vous et moi n'existerions littéralement pas.

À mon avis, cela rend ces événements très dignes de notre étude. Même quand ils échouent.