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De nouvelles observations très détaillées des vestiges d'une supernova âgée d'un millier d'années ont été effectuées à l'aide du Très Grand Télescope de l'ESO (VLT). Elles fournissent des indices concernant l'origine des rayons cosmiques. Pour la toute première fois, les observations indiquent la présence de particules se déplaçant à grande vitesse dans les restes de la supernova, qui pourraient être les précurseurs de ces rayons cosmiques. Les résultats de cette étude sont parus dans l'édition du 14 février 2013 de la revue Science.
L'image de gauche montre l'intégralité des restes de la supernova SN 1006 dans les domaines radio (rouge), X (bleu) et visible (jaune). Le second panneau, qui correspond à la petite région de forme carrée dessinée à gauche, est une vue rapprochée de l'étroite zone entourant l'onde de choc prise par le Télescope spatial Hubble du consortium NASA/ESA, où la matière issue de la supernova entre en collision avec le milieu interstellaire. Le troisième panneau montre comment l'unité intégrale de champ de l'instrument VIMOS divise l'image en plusieurs petites régions, la lumière provenant de chacune d'elles figurant sous l'aspect d'un spectre constitué de ses différentes composantes de couleurs. Lorsque ces spectres sont analysés, des cartes de propriétés de l'objet sous-jacent peuvent être obtenues. L'exemple figuré ici à droite est une carte de l'une des propriétés du gaz (la largeur d'une raie spectrale) dont la variabilité suggère, à l'instar d'autres éléments, la présence de protons animés d'une très grande vitesse. Crédit: ESO, Radio: NRAO/AUI/NSF/GBT/VLA/Dyer, Maddalena & Cornwell, X-ray: Chandra X-ray Observatory; NASA/CXC/Rutgers/G. Cassam-Chenaï, J. Hughes et al., Visible light: 0.9-metre Curtis Schmidt optical telescope; NOAO/AURA/NSF/CTIO/Middlebury College/F. Winkler and Digitized Sky Survey.
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Au cours de l'année 1006, une nouvelle étoile est apparue dans le ciel austral et a été répertoriée dans le monde entier. Sa brillance était largement supérieure à celle de la planète Vénus et rivalisait sans doute même avec l'éclat de la Lune. Elle était si brillante à son maximum qu'elle projetait des ombres et était visible au cours de la journée. Plus récemment, les astronomes ont localisé cette supernova et l'ont baptisée SN 1006. Ils ont également découvert un anneau de matière lumineuse et en expansion dans la constellation du Loup, dans l'hémisphère austral, qui correspond aux restes de la gigantesque explosion.
On a longtemps pensé que ces restes de supernova pouvaient constituer la source de certains rayons cosmiques - des particules de grande énergie originaires de l'extérieur du Système Solaire et voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière. Mais jusqu'à présent, les détails de leur processus de création étaient restés mystérieux.
Une équipe d'astronomes dirigée par Sladjana Nikoli? (Institut Max Planck pour l'Astronomie, Heidelberg, Allemagne (1)) a récemment utilisé l'instrument VIMOS qui équipe le VLT pour observer, de façon bien plus détaillée qu'auparavant, les restes de SN 1006 un millier d'années après son explosion. Les astronomes voulaient étudier ce qui se passe à l'endroit où de la matière éjectée à grande vitesse par la supernova rencontre de la matière interstellaire stationnaire - l'onde de choc. Cette onde de choc en expansion à grande vitesse est semblable à la détonation produite par un avion se déplaçant à vitesse supersonique et constitue un candidat naturel pour un accélérateur de particules cosmiques.
Pour la première fois, l'équipe n'a pas simplement obtenu des informations concernant la matière en un point de l'onde de choc. Elle a également dressé une carte recensant les propriétés du gaz et leur évolution à mesure que l'onde de choc se déplace. Le tout a fourni de précieux indices nécessaires à élucider le mystère.
Les résultats obtenus ont suscité la surprise - ils suggèrent l'existence d'une forte densité de protons se déplaçant à grande vitesse dans le gaz traversé par l'onde de choc (2). Bien qu'ils ne constituent pas eux-mêmes les rayons cosmiques de haute énergie recherchés, ces protons pourraient être les indispensables "particules semences" qui continuent d'interagir avec le front d'onde matériel jusqu'à atteindre les hautes énergies requises et être éjectés dans l'espace sous la forme de rayons cosmiques.
Nikoli? nous explique: "C'est la première fois que nous sommes en mesure d'observer, dans le détail, ce qui se passe à l'intérieur et en marge de l'onde de choc d'une supernova. Nous avons découvert qu'il existe une région dont la température élevée peut s'expliquer par le fait que des protons emportent de l'énergie derrière l'onde de choc."
Cette étude a été la première à utiliser un spectrographe intégral de champ (3) pour sonder, dans le détail, les propriétés des ondes de choc produites par les restes de supernova. L'équipe est à présent désireuse d'appliquer cette méthode à d'autres vestiges.
Glenn van de Ven, co-auteur de l'étude à l'Institut Max Planck pour l'Astronomie, conclut ainsi: "Ce type d'approche observationnelle pourrait bien fournir la clé de la compréhension de la formation des rayons cosmiques dans les vestiges de supernovae.
Notes:
(1) Cette découverte fait suite à l'analyse de données effectuée par Sladjana Nikoli? (Institut Max Planck pour l'Astronomie) dans le cadre de son travail de thèse à l'Université de Heidelberg.
(2) Ces protons sont qualifiés de superthermiques parce qu'ils se déplacent à bien plus grande vitesse que ne peut l'expliquer la température de leur environnement.
(3) Ce résultat est obtenu en utilisant une fonction de VIMOS appelée unité intégrale de champ, où la lumière enregistrée dans chaque pixel est décomposée en ses différéntes couleurs et chacun de ces spectres enregistré. Les spectres peuvent ensuite être analysés individuellement et des cartes de vitesses et de propriétés chimiques de chaque partie de l'objet créées.
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