SN 1987A - Définition

Introduction

Le rémanent de supernova 1987a dans le Grand Nuage de Magellan

SN 1987A est le nom d'une supernova qui a eu lieu dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie naine proche de la Voie lactée. Elle s'est produite à environ 51,4 kiloparsecs de la Terre, ce qui en fait la supernova la plus proche depuis SN 1604, qui eut lieu dans la Voie Lactée elle-même. La lumière générée par la supernova a atteint la Terre le 24 février 1987. Première supernova découverte en 1987 (par l'astronome canadien Ian Shelton), elle a donc reçu le nom de « SN 1987A ». Sa luminosité était à son maximum en mai, avec une magnitude apparente aux alentours de +3 ; elle a décliné dans les mois suivants. Ce fut la première occasion pour les astronomes modernes d'observer une supernova aussi proche depuis l'invention du télescope.

51,4 kiloparsecs représentant environ 168 000 années-lumière, l'évènement cosmique en lui-même s'est en fait produit il y a 168 000 ans.

Sanduleak -69° 202, l'étoile à partir de laquelle la supernova s'est formée, était une supergéante bleue ayant une masse d'environ 20 masses solaires. Ceci entraîna la nécessité de réviser en partie les modèles d'évolution des étoiles de grande masse ; à l'époque, ceux-ci suggéraient en effet que seules les supergéantes rouges finissaient en supernovas.

En mai 2006, SN1987A a joui d'un nouveau regain d'intérêt puisque des poussières rocheuses formées lors de l'explosion (poussières qui sont les « principaux constituants des planètes et de toutes les créatures vivantes ») sont entrées en collision avec l'anneau interne. Et déjà plusieurs mesures pourraient remettre en question les estimations sur les concentrations de telles poussières dans l'Univers.

Supernova et neutrinos

L'étude des modèles théoriques indique que 99% de l'énergie émise par les supernovas l'est sous forme de neutrinos. Pour la première fois grâce à SN 1987A, l'émission de neutrinos par une supernova a pu être observée directement.

Environ trois heures avant que la lumière visible du phénomène n'atteigne la Terre, un éclat de neutrinos fut observé dans trois observatoires de neutrinos différents (Kamiokande II, IMB et Baksan). À 7H35 TU, Kamiokande détecta 11 neutrinos, IMB 8 neutrinos et Baksan 5 neutrinos, le temps d'un éclair qui dura moins de 13 secondes. Bien que le nombre de neutrinos observés soit de seulement 24 au total, il s'agissait là d'une augmentation significative par rapport au niveau normal. Les observations corroboraient les estimations des modèles, avec un total de 10⁵⁸ neutrinos émis, pour une énergie totale de 10⁴⁶ joules.

Un autre résultat très significatif fut déduit des données collectées : puisqu'un seul pic de détection fut observé, il semble que neutrinos et antineutrinos ont mis le même temps pour parvenir jusqu'à la Terre, soit environ 168 000 ans. Ceci représentait la première preuve empirique que la matière et l'antimatière réagissent de manière similaire aux forces des champs gravitationnels, ce qui était largement prédit par la théorie standard de la gravitation mais n'avait jamais pu être testé directement.

Morphologie des anneaux

Les étoiles donnant naissance à des supernovas de type II sont en général des géantes rouges, très différentes de Sanduleak -69°202. Son évolution en supernova s'explique par une perte de masse avant son explosion, ce qui peut se traduire sur un diagramme HR par un passage de supergéante rouge à supergéante bleue. Cette théorie a été confirmée par la présence de trois anneaux de gaz autour de SN1987A. Le télescope Hubble a permis de dater l'éjection de matière les constituant à environ 20 000 ans avant l'explosion. La morphologie particulière de ces anneaux est une des principales caractéristique de SN 1987A. Les deux anneaux extérieurs et l'anneau intérieur (plus petit) forment une sorte de « sablier », l'anneau intérieur formant le col.

Plusieurs théories de la formation des anneaux sont proposées :

• Lors de la phase de supergéante bleue, les violents vents solaires auraient « sculpté » cette géométrie particulière dans la matière éjectée lors de la phase de supergéante rouge.
• Si l'anneau central est toujours expliqué par les vents solaires, les deux anneaux extérieurs seraient « illuminés » par le gaz éjecté dans la supernova par un pulsar ou par un trou noir émettant comme un pulsar. Si l'on cherche à déterminer la position de ce pulsar à partir de la morphologie des anneaux extérieurs, on ne tombe pas sur la position de Sanduleak-69°202 mais sur un objet sombre à 0,3 année lumière de celle-ci.
• Une explication plus complète fait appel à une Sphère de Strömgren : l'astre très chaud crée dans un nuage constitué principalement d'hydrogène à très basse pression, une structure en première approximation de symétrie sphérique, dont la température décroît avec la distance.

Au voisinage de la sphère de Strömgren, définie par une égale population de protons et d'atomes, les atomes très excités amplifient le rayonnement Lyman alpha émis spontanément. Comme dans un laser, cette émission induite dite superradiance est d'autant plus intense que le rayonnement inducteur est plus intense, de sorte que les faisceaux de lumière les plus intenses absorbent toute l'énergie disponible, ce qui limite le nombre de modes superradiants et étouffe l'émission spontanée. C'est la « compétition des modes ». L'initiation de la superradiance se fait dans les directions où l'amplification est maximale sur une distance maximale, c'est-à-dire tangentiellement à la sphère de Strömgren.

Dans une direction donnée, les rayons superradiants sont des génératrices d'un cylindre de révolution. La compétition des modes fait apparaître des génératrices très lumineuses formant les « perles » du collier. Un tel collier de perles sur un cône peut être obtenu en envoyant deux faisceaux laser colinéaires dans un milieu ayant une fréquence Raman égale à la différence des fréquences des lasers.

Les anneaux secondaires de SN 1987A peuvent être dus à deux "sphères" de Strömgren secondaires engendrées par des étoiles à neutrons éjectés par la supernova.