Supernovae — deux façons de déchirer une étoile

Pendant quelques semaines, une seule étoile mourante peut éclipser une galaxie entière — cent milliards de soleils, effacés à côté d'un point. L'humanité l'a vu plusieurs fois à l'œil nu : en 1054, un « nouvel astre » est resté des semaines dans le ciel de jour, Tycho Brahe a vécu en 1572 sa « Stella Nova », Kepler en 1604 la dernière à ce jour dans notre Voie lactée. Et cette galerie possède son propre exemplaire — mais 20 000 ans après la déflagration : les Dentelles du Cygne.

Une nova n'est pas une supernova

Les termes sonnent apparentés et désignent des choses fondamentalement différentes. Une nova est un événement de surface : une naine blanche collecte l'hydrogène d'une étoile compagne jusqu'à ce que la fine couche à sa surface s'enflamme de façon thermonucléaire — un éclair, puis le système poursuit comme avant. L'étoile survit, et certaines novae se répètent donc tous les quelques décennies. Une supernova, en revanche, est la fin : l'étoile est détruite ou comprimée en quelque chose de totalement différent. L'écart de luminosité est brutal en conséquence — une supernova brille dix mille fois plus qu'une nova. Que les deux s'appellent « nova » est une erreur historique : pour les observateurs d'avant l'astrophysique, les deux étaient simplement de nouvelles étoiles dans le ciel.

Deux explosions totalement différentes

Derrière le seul mot supernova se cachent deux mécanismes qui pourraient difficilement avoir moins en commun sur le plan physique — ils ne se rejoignent que dans la luminosité :

À gauche l'effondrement de cœur, la fin des étoiles massives de l'article sur la vie des étoiles ; à droite la détonation thermonucléaire d'une naine blanche. Qu'une supernova à effondrement de cœur apparaisse comme type II ou comme type Ib/c dépend uniquement de savoir si l'étoile portait encore son enveloppe d'hydrogène — les étoiles Wolf-Rayet fournissent les cas sans enveloppe.

L'effondrement de cœur est une chute : dès que le cœur de fer d'une géante atteint les ~1,4 masses solaires critiques, plus rien ne le soutient — il s'effondre en moins d'une seconde de la taille de la Terre à celle d'une ville. L'enveloppe qui s'y précipite rebondit, et un gigantesque flot de neutrinos pousse l'onde de choc vers l'extérieur. L'absurdité du bilan énergétique : 99 pour cent de l'énergie libérée quittent l'étoile sous forme de neutrinos invisibles ; la lumière spectaculaire qui éclipse des galaxies n'en est que la miette restante.

L'explosion de type Ia, en revanche, est une bombe avec un plan de construction : une naine blanche — le reste éteint, de la taille de la Terre, d'une étoile semblable au Soleil — accumule de la masse dans un système double jusqu'à atteindre la limite de Chandrasekhar. Alors le carbone s'enflamme d'un coup dans toute l'étoile, et il ne reste rien. Comme la masse d'allumage est toujours la même, la luminosité de l'explosion l'est pour l'essentiel aussi — ce qui fait des supernovae de type Ia des chandelles standard cosmiques : on mesure grâce à elles des distances sur des milliards d'années-lumière, et c'est sur elles qu'on a découvert en 1998 que l'expansion de l'Univers s'accélère. Le prix Nobel 2011 est au fond un prix pour des naines blanches qui explosent.

Ce qui reste

L'explosion elle-même est terminée au bout de quelques semaines — alors commence l'objet véritablement durable : le rémanent de supernova. Pendant des dizaines de milliers d'années, l'onde de choc laboure le milieu interstellaire en traversant des phases de vie nettement distinctes :

D'abord la matière éjectée fonce sans frein, puis la bulle chaude et brillante en rayons X domine, et ce n'est qu'en phase radiative qu'apparaissent les filaments photogéniques : l'onde de choc est freinée au point que le gaz comprimé libère son rayonnement en Hα et [O III]. Les Dentelles se trouvent en pleine troisième phase.

Les célèbres filaments des Dentelles ne sont pas des fils de matière, mais des surfaces de choc courbes vues par la tranche — le même éclaircissement au bord qui explique les fins liserés lumineux dans l'article sur les fronts d'ionisation. Là où la bulle rencontre un gaz plus dense, nous voyons le front comme un ruban plié d'une finesse extrême ; la vitesse de choc atteint encore aujourd'hui quelques centaines de km/s.

Quelques points qu'il faut connaître à ce sujet :

Les neutrinos arrivent en premier. Lors de SN 1987A dans le Grand Nuage de Magellan, trois détecteurs ont enregistré environ deux douzaines de neutrinos — des heures avant l'arrivée de la lumière, car l'onde de choc devait encore traverser l'enveloppe stellaire. C'était la première fois que l'humanité « entendait » directement l'intérieur d'une explosion stellaire, et aujourd'hui des observatoires à neutrinos guettent la suivante en système d'alerte précoce.
La Voie lactée est en retard. Statistiquement, une à trois supernovae y explosent par siècle — la dernière vue à l'œil nu fut celle de Kepler en 1604. La contradiction se résout sans spectacle : la plupart se cachent derrière la poussière du disque galactique.
Bételgeuse est la candidate devant notre porte. La supergéante rouge d'Orion s'effondrera un jour dans les cent mille prochaines années — demain ou dans 80 000 ans, c'est astronomiquement la même chose. Elle brillera alors pendant des semaines à peu près autant que la demi-lune, visible en plein jour. À une distance d'un bon 500 années-lumière, ce n'est pas dangereux, seulement grandiose.
Le fer de notre sang provient majoritairement du type Ia. Les supernovae à effondrement de cœur livrent surtout de l'oxygène, du néon, du magnésium ; les naines blanches qui explosent sont les grandes usines à fer. L'or et le platine, en revanche, naissent selon l'état actuel des connaissances principalement ailleurs : lors de la fusion de deux étoiles à neutrons — donc dans la collision de ce que deux supernovae à effondrement de cœur ont laissé derrière elles.
L'étoile progénitrice des Dentelles a totalement disparu. Ce qui a explosé il y a environ 20 000 ans était une étoile massive ; son reste compact n'a jamais été identifié avec certitude. L'étoile brillante 52 Cygni, qui semble se tenir en plein milieu du « Balai de la Sorcière », n'a rien à voir avec tout cela — elle se trouve par hasard sur la ligne de visée, bien plus près de nous.
Un rémanent est aussi un commencement. L'onde de choc enrichit le milieu interstellaire en éléments lourds et peut pousser des nuages voisins à s'effondrer — c'est vraisemblablement une telle supernova qui a déclenché il y a 4,6 milliards d'années la formation de notre système solaire. La destruction des étoiles et la naissance de nouvelles sont le même cycle, un niveau au-dessus de celui des fronts d'ionisation.

Illustration générée par IA d'une supernova : un cœur d'explosion d'un éclat aveuglant, entouré de coquilles déchirées de matière éjectée bleutée, dorée et rouge, devant elles un mince front de choc sphérique. — L'oignon déchiré : à l'intérieur les couches chaudes et rapides, à l'extérieur la matière rouge qui s'effiloche déjà, tout devant le mince front de choc en arc pâle — entre les coquilles croissent les instabilités en forme de doigts qui façonneront plus tard la structure filamentaire des rémanents. **Cette image est générée par IA** — pas une prise de vue, mais une illustration.

Dans notre propre ciel

Les Dentelles du Cygne sont l'objet de démonstration de cet article — un unique rémanent dans lequel presque chaque paragraphe ci-dessus se retrouve, avec en plus un regard sur un rémanent dans une galaxie étrangère :

NGC 6992/6995 — le rideau plissé du front oriental — Le front est des Dentelles : un rideau plié de surfaces de choc. Chaque « filament » est le front vu par la tranche — là où la bulle laboure depuis 20 000 ans un gaz plus dense et où la matière comprimée continue de briller en Hα et [O III].Ma photographie · NGC 6992 · 1,26° × 1,64° · voir la fiche galerie

NGC 6960 nord — filaments de choc devant le Balai de la Sorcière — Fils de choc sur le front ouest : on voit ici la phase radiative à l'œuvre — des fronts d'une finesse de cheveu, presque parallèles, dont la séparation des couleurs retrace les zones de refroidissement derrière le choc. Le rouge et le bleu-vert relèvent de la même logique duo-bande que dans les autres articles, sauf qu'ici le moteur est une explosion vieille de 20 000 ans.Ma photographie · NGC 6992 · 1,03° × 1,62° · voir la fiche galerie

L'intérieur de l'anneau — filaments ténus entre les arcs célèbres — L'intérieur de l'anneau : de faibles fils entre les arcs célèbres. Ils montrent que le rémanent n'est pas une cavité au joli bord, mais une bulle brassée de tourbillons — des restes des coquilles déchirées de l'image d'illustration, des dizaines de milliers d'années plus tard.Ma photographie · NGC 6992 · 1,85° × 3,03° · voir la fiche galerie

Le Triangle de Fleming — la découverte derrière le nom de Pickering — Le Triangle de Fleming, le troisième arc souvent négligé : découvert en 1904 par Williamina Fleming — et une preuve à quel point un rémanent se décompose en éléments isolés que l'on ne reconnaît à nouveau comme une unique bulle d'explosion que dans son ensemble.Ma photographie · NGC 6992 · 1,21° × 1,26° · voir la fiche galerie

Le bras nord-est — là où le disque s'achève, avec une chaîne d'usines à étoiles et un rémanent — Et une fois en territoire étranger : dans le bras nord-est de M 31 se dresse, à côté d'une usine à étoiles, son rémanent aussi — naissance et mort stellaires dans le même cadrage, à deux millions et demi d'années-lumière. Le cycle décrit dans le texte, dans un seul champ d'image.Ma photographie · M 31 · 52,7′ × 56,5′ · voir la fiche galerie

Pour aller plus loin

Supernova — mécanismes, classification et événements historiques (Wikipedia).
Nova — le petit pendant à la surface des naines blanches (Wikipedia).
Dentelles du Cygne — le rémanent de cette galerie en détail (Wikipedia).
SN 1987A — la supernova dont les neutrinos sont arrivés avant sa lumière (Wikipedia).