Une supernova – la mort explosive d’une étoile – est toujours violente, projetant de la matière dans l’espace tout en laissant derrière elle un reste stellaire compact comme une étoile à neutrons ou un trou noir. Mais certaines supernovas impliquant les plus grandes étoiles du cosmos peuvent être si puissantes qu’elles ne laissent absolument rien derrière elles.
Depuis les années 1960, les scientifiques ont théorisé l’existence de ces supernovas ultra-puissantes et en ont maintenant apporté des preuves – quoique indirectes – dans des recherches impliquant des trous noirs et des ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles.
De telles supernovas devraient se produire dans les étoiles les plus énormes – celles dont la masse est environ 140 à 260 fois supérieure à celle du soleil, selon Hui Tong, doctorant en astrophysique à l’Université Monash en Australie et auteur principal de l’étude publiée mercredi dans la revue Nature.
« Malgré leur énorme masse, leur vie est relativement courte, environ quelques millions d’années. À titre de comparaison, le Soleil vivra environ 10 milliards d’années, donc ces étoiles brûlent environ mille fois plus vite – comme un feu d’artifice massif qui brûle intensément et brièvement avant d’exploser », a déclaré Tong.
L’explosion de grandes étoiles d’une certaine masse laisse derrière elle une étoile à neutrons, un noyau stellaire compact et effondré. Certaines étoiles encore plus grosses, lorsqu’elles explosent, laissent derrière elles un trou noir, un objet exceptionnellement dense dont la gravité est si forte que même la lumière ne peut s’en échapper. Le trou noir conserve une partie de la masse de l’étoile d’origine, le reste étant projeté dans l’espace.
Dans cette étude, les chercheurs ont passé au peigne fin les données de 153 paires de trous noirs, connaissant leur masse en fonction des ondes gravitationnelles qu’ils émettaient, puis ont séparé les trous noirs formés lors de la fusion antérieure de deux trous noirs plus petits.
Ce que les chercheurs ont ensuite détecté, c’est une absence de trous noirs compris entre 44 et 116 fois la masse du soleil, ce qu’ils ont appelé une « plage interdite ».
Cette absence, disent-ils, pourrait être mieux expliquée si les plus grandes étoiles, qui pourraient laisser derrière elles des trous noirs dans cette gamme de masse, étaient plutôt effacées à la fin de leur durée de vie dans un type rare d’explosion appelé supernova à instabilité de paire, ne laissant aucune trace.
« Une supernova à instabilité de paire est l’un des types de mort stellaire les plus violemment explosives », a déclaré Maya Fishbach, astrophysicienne et co-auteure de l’étude de l’Institut canadien d’astrophysique théorique de l’Université de Toronto.
« Pour la plupart, les étoiles massives forment des trous noirs. Plus l’étoile est massive, plus le trou noir est lourd », a déclaré Fishbach, jusqu’à ce que les étoiles atteignent un certain seuil de masse au-delà duquel la physique de leur disparition explosive dicte qu’il ne reste aucun vestige stellaire.
Ces étoiles énormes évoluent d’abord de la même manière que les autres étoiles massives, brûlant de l’hydrogène et de l’hélium et construisant un grand noyau composé principalement de carbone et d’oxygène. Pour que le noyau reste stable, il doit y avoir un équilibre entre la pression de gravité vers l’intérieur et la libération d’énergie vers l’extérieur – dans le cas de ces étoiles, des photons à haute énergie, les particules qui composent la lumière.
Mais aux températures extrêmes présentes à l’intérieur de ces étoiles, certains photons se transforment en paires de particules subatomiques appelées électrons et positons, affaiblissant ainsi la pression extérieure qui contribuait à maintenir la stabilité du noyau. Ces paires de particules et l’instabilité qu’elles provoquent expliquent le nom de cette classe de supernova.
« Le noyau devient instable, conduisant à un effondrement brutal, puis à une violente explosion thermonucléaire qui fait exploser l’étoile », a déclaré Tong.
Bien que ces supernovas aient été prédites pour la première fois il y a soixante ans, Fishbach a déclaré qu’elles « sont rares et difficiles à trouver et à identifier ».
Les scientifiques ont observé un type d’explosion stellaire appelé supernova superlumineuse, candidate au titre de supernova à instabilité de paire. Ces explosions peuvent être plus de 10 milliards de fois plus lumineuses que le soleil. Mais pour l’instant, les preuves présentées dans cette étude pourraient bien constituer la meilleure indication de l’existence de supernovas à instabilité de paire.
« Nous utilisons essentiellement quelque chose d’invisible, des trous noirs, comme enregistrement de certaines des explosions les plus brillantes de l’univers », a déclaré Tong.
