Le satellite Fermi révèle un possible premier cas de « supernovæ sœurs »
L’analyse de seize années de données du satellite Fermi suggère que deux vestiges de supernovæ observés dans la constellation des Gémeaux pourraient être les traces d’un ancien système binaire d’étoiles massives dont les deux composantes ont successivement explosé. Un résultat inédit qui éclaire à la fois l’évolution des étoiles massives et l’origine des rayons cosmiques.
Une étude internationale basée sur les observations du télescope LAT (Large Area Telescope) embarqué à bord du satellite Fermi de la NASA — auquel contribuent plusieurs laboratoires de CNRS Nucléaire & Particules* — apporte un éclairage inédit sur les vestiges de supernovæ, ces explosions d’étoiles qui éclairent périodiquement l’Univers, projetant des flux de particules à travers le cosmos. Elle suggère que deux vestiges de supernovæ voisins pourraient provenir d’un même système binaire d’étoiles massives : une première observation de « supernovæ sœurs ».
Tout commence avec la découverte en 1994, dans le cadre du relevé X de la mission ROSAT (Roentgen Satellite, à direction allemande), de G189.6+3.3, une source peu lumineuse située à proximité immédiate de la nébuleuse de la Méduse (IC 443), l’un des vestiges de supernova les plus brillants du ciel en rayons gamma. En 2017, le catalogue des sources étendues du plan galactique publié par la collaboration Fermi-LAT, mené par Marianne Lemoine-Goumard, détecte une source non identifiée coïncidant spatialement avec G189.6+3.3. C’est finalement le télescope eROSITA qui confirme récemment la nature de la source : G189.6+3.3 est un vestige de supernova, dont le plasma chaud se superpose quasi-totalement à celui de la nébuleuse de la Méduse.
« Pas moins de 16 ans de données de Fermi ont été nécessaires pour caractériser l’émission gamma associée à ce vestige de supernova, qui était masqué par l’éblouissement de son voisin. », explique Marianne Lemoine-Goumard, astrophysicienne au LP2IB (CNRS/Université de Bordeaux) et co-autrice de l'étude. L’analyse des données Fermi révèle une émission gamma associée à des protons accélérés dans la partie nord de G189.6+3.3, interagissant avec le filament de gaz de Sharpless 249, le même filament qui relie les deux vestiges et avec lequel la nébuleuse de la Méduse interagit déjà. Cette interaction commune avec une même structure gazeuse est décisive : elle implique que les deux vestiges partagent nécessairement la même distance par rapport à nous.
« L'analyse de la partie nord de G189.6+3.3 avec Fermi-LAT a révélé que des protons accélérés par ce vestige interagissent avec le filament dense de Sharpless 249, explique Marianne Lemoine-Goumard. Or, dès 2013, Fermi-LAT avait démontré que des protons accélérés par la nébuleuse de la Méduse interagissent avec ce même filament. Cette interaction commune avec la même structure gazeuse nous a permis de prouver que les deux vestiges se trouvent à la même distance de nous. »
Cette distance commune, estimée à environ 6 000 années-lumière, permet de déduire les paramètres physiques du système : les centres d’explosion des deux vestiges sont séparés d’environ 40 années-lumière en projection sur le plan du ciel, et les étoiles progénitrices étaient probablement 20 fois ou plus massives que le Soleil. Quant aux âges estimés : la nébuleuse de la Méduse serait âgée de 8 000 à 9 000 ans, tandis que G189.6+3.3 pourrait avoir entre 20 000 et 110 000 ans, soit un délai entre les deux explosions pouvant s’étendre jusqu’à 100 000 ans.
Ces caractéristiques étant établies, l’équipe a alors cherché à tester si un système binaire massif pouvait naturellement les produire. Des simulations informatiques portant sur un million de tels systèmes montrent que des étoiles orbitant suffisamment près l’une de l’autre pour échanger de la matière au cours de leur vie peuvent aisément générer deux explosions de supernovæ avec des séparations et des décalages temporels compatibles avec les observations. De plus, la probabilité que l’alignement spatial et la compatibilité des distances soient le fruit du hasard est inférieure à 1 %, renforçant fortement l’hypothèse d’une association physique réelle.
« Les preuves assemblées, observations à travers tout le spectre électromagnétique, propriétés chimiques et physiques des vestiges, simulations, dessinent le tableau convaincant d’un double événement de supernova. », conclut Miltiadis Michailidis, chercheur postdoctoral à l’université Stanford et premier auteur de l’étude. « Les connexions entre les deux vestiges sont si nombreuses et frappantes que nous concluons qu’ils sont vraisemblablement liés, ce qui en ferait le premier exemple connu d’un système binaire dont les deux étoiles ont explosé en supernovæ. »
Pour les astronomes, identifier des objets aussi rares qu’un double vestige de supernova issu d’un système binaire ouvre une fenêtre unique sur les dernières étapes de l’évolution stellaire des étoiles massives, et fournit un nouveau laboratoire pour mieux comprendre comment les vestiges de supernovæ accélèrent les particules, génèrent des rayons gamma et façonnent leur environnement.
Lire le communiqué de la NASA (en anglais).
*Il s'agit du LLR (CNRS / Ecole Polytechnique) du LP2IB (CNRS / Université de Bordeaux) et du LUPM (CNRS / Université de Montpellier). Stefano Gabici, chercheur à l'APC, est également auteur externe de l'étude en question.