L’IXPE de la NASA résout le mystère de l’expansion d’une supernova vieille de 2 000 ans

Une lumière venue d’une explosion ancienne, revisitée

Quelque part dans la constellation australe du Compas, la lumière d’une explosion stellaire a atteint la Terre pour la première fois il y a environ 2 000 ans. Des astronomes chinois ont consigné l’événement en 185 de notre ère, ce qui en fait la plus ancienne supernova documentée de l’histoire. Le vestige de cette explosion, désigné RCW 86, a été étudié par tous les principaux observatoires de rayons X depuis les débuts de l’astronomie spatiale, et il a à plusieurs reprises déjoué les attentes. Une nouvelle observation réalisée par l’Explorateur d’imagerie et de polarimétrie des rayons X (IXPE) de la NASA a maintenant révélé le mécanisme physique à l’origine de l’un des comportements les plus déroutants de ce vestige.

L’annonce, faite cette semaine par la NASA, identifie ce que les chercheurs appellent un « effet de choc réfléchi » sur le bord extérieur de RCW 86. Le phénomène apparaît dans les données de l’IXPE sous la forme d’une signature de polarisation distinctive à l’endroit précis où l’expansion rapide vers l’extérieur du vestige semble s’être arrêtée.

La cavité qui a rendu RCW 86 atypique

Pour comprendre ce qu’a trouvé l’IXPE, il faut comprendre ce qui rendait RCW 86 anormal dès le départ. Lorsqu’une étoile massive termine sa vie dans une explosion de supernova, elle projette de la matière vers l’extérieur sous la forme d’une onde de choc qui se propage dans le milieu interstellaire environnant. La vitesse de cette expansion dépend de la densité de la matière rencontrée par l’onde de choc : une matière plus dense la ralentit, tandis qu’une matière moins dense lui permet de s’étendre plus vite.

L’observatoire de rayons X Chandra avait auparavant identifié une caractéristique inhabituelle autour de RCW 86 : le vestige est entouré d’une grande cavité de gaz relativement peu dense, que l’on pense avoir été creusée par les vents stellaires de l’étoile progénitrice au cours des milliers d’années précédant l’explosion. Cette cavité a permis à l’onde de choc de se dilater beaucoup plus vite qu’elle ne l’aurait fait dans des conditions interstellaires normales, expliquant pourquoi RCW 86 apparaît de taille inattendue pour un vestige âgé de 2 000 ans et pourquoi sa forme est irrégulière plutôt que grossièrement sphérique, comme c’est typiquement le cas des jeunes vestiges de supernova.

Ce que l’IXPE a détecté au bord

La question qui demeurait après les observations de Chandra était de savoir ce qui s’était produit lorsque l’onde de choc en expansion a atteint le bord de cette cavité. La capacité de l’IXPE à faire de la polarimétrie X, c’est-à-dire à mesurer non seulement l’intensité des rayons X mais aussi l’orientation de leur champ électrique, fournit un outil pour répondre à cette question que les précédentes missions de rayons X ne possédaient pas.

L’émission de rayons X polarisés des vestiges de supernova est produite lorsque des électrons de haute énergie spiralisent autour des lignes de champ magnétique, un processus appelé rayonnement synchrotron. Le motif de polarisation encode des informations sur la géométrie du champ magnétique et la direction du choc. Lorsqu’une onde de choc frappe une paroi de matière plus dense, c’est-à-dire le bord de la cavité, la géométrie change d’une manière caractéristique que l’IXPE peut détecter.

L’analyse par l’équipe des nouvelles observations de l’IXPE montre exactement cette signature sur le bord extérieur de RCW 86 : une région où le motif de polarisation est compatible avec un choc réfléchi, rebondi sur la paroi de la cavité et se propageant désormais à la fois vers l’intérieur et vers l’extérieur. Cette composante réfléchie explique l’arrêt observé de l’expansion vers l’extérieur et comble une lacune dans le tableau physique laissé ouverte par les observations de Chandra.

Bâtir une image complète à travers les observatoires

L’image composite publiée avec cette découverte illustre la puissance de la combinaison de données provenant de plusieurs observatoires opérant à différentes longueurs d’onde et avec différentes capacités de détection. L’IXPE fournit la carte X polarisée qui révèle la géométrie du choc. Chandra et XMM-Newton de l’ESA fournissent des données de rayons X à haute énergie montrant la répartition du gaz chauffé par le choc le plus chaud. Les données de rayons X moins énergétiques tracent la matière circumstellaire plus froide. Un champ d’étoiles optique provenant de NOIRLab de la NSF fournit un contexte spatial sur le fond du ciel.

Chaque jeu de données révèle un aspect différent d’un même système physique, et leur combinaison produit un récit physique plus complet que ne pourrait le faire un seul observatoire. Cette approche multi-longueurs d’onde est devenue une pratique standard en astrophysique des hautes énergies, et la capacité polarimétrique unique de l’IXPE a systématiquement ajouté des informations sur la géométrie du champ magnétique qui étaient tout simplement inaccessibles avant le lancement de la mission en 2021.

Pourquoi les vestiges de supernova comptent

Au-delà de l’intérêt intrinsèque de résoudre une énigme astrophysique vieille de plusieurs décennies, RCW 86 et les vestiges similaires comptent parce que les supernovas sont le moyen par lequel la galaxie répartit les éléments lourds forgés dans les cœurs stellaires. Chaque atome de calcium dans les os humains, de fer dans le sang et d’oxygène dans l’atmosphère a été créé à l’intérieur d’une étoile et dispersé par une explosion de ce type. Comprendre la physique des ondes de choc des supernovas - comment elles s’étendent, ce qui se passe lors des transitions de densité, comment elles accélèrent les rayons cosmiques - est directement lié aux questions sur l’évolution chimique des galaxies et sur l’origine des matières premières de la vie.

RCW 86 constitue aussi une étude de cas exceptionnellement bien contrainte, car le dossier historique date son explosion à quelques décennies près. La plupart des vestiges de supernova sont identifiés sans date précise, ce qui rend les analyses fondées sur l’âge incertaines. Le relevé de 185 de notre ère par des astronomes de la cour chinoise fournit un repère chronologique permettant aux chercheurs de tester les modèles par rapport à une ligne de temps connue plutôt que de l’inférer à partir de l’apparence du vestige.

La mission continue de l’IXPE

L’IXPE est une mission conjointe de la NASA et de l’Agence spatiale italienne (ASI), avec la participation scientifique de 12 pays. Elle a été lancée en décembre 2021 depuis le Kennedy Space Center de la NASA à bord d’une fusée SpaceX Falcon 9 et est exploitée depuis le Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama. L’observatoire a maintenant observé plus de 100 sources de rayons X, notamment des vestiges de supernova, des systèmes de trous noirs, des étoiles à neutrons et des magnétars. Ses données polarimétriques ont permis de résoudre des questions de longue date sur les mécanismes d’accélération des particules dans plusieurs de ces systèmes, et le résultat sur RCW 86 poursuit un bilan de découvertes qui nécessitent cette capacité de mesure spécifique pour être obtenues.

Cet article est basé sur un reportage de la NASA. Lire l’article original.