Quand elles explosent en supernovae, les étoiles laissent derrière elles une sorte de bulle de gaz surchauffé qui enfle dans le milieu interstellaire à grande vitesse avant de se dissiper des millions d’années plus tard. Il existe plusieurs types de supernovae, mais depuis quelque temps, on en observe d’un nouveau type, baptisé SN Iax. Celle de 1181 a laissé un reste très inhabituel que l’on peut qualifier de surréaliste par comparaison avec les restes plus connus, comme la nébuleuse du Crabe ou encore Cassiopée A. Ce reste, nommé Pa 30, contient en plus une étoile « zombie », un ancien cadavre stellaire ramené à la vie.

Lorsque l’on décompte les supernovae dans les autres galaxies sur une année, tous types confondus (SN II et SN Ia notamment), on est conduit à estimer qu’en moyenne trois à quatre supernovae par siècle devraient se produire dans notre Voie lactée. Il en existe de célèbres observées par les astronomes européens, comme celles de 1572 et 1604, examinées en lumière visible par Tycho Brahe (SN 1572) et Johannes Kepler (SN 1604).

Curieusement, celle de 1181 dans la constellation de Cassiopée ne semble avoir été notée que par des astronomes chinois et japonais, peut-être parce que tout comme celle de 1054 à l’origine de la nébuleuse du Crabe, les intellectuels européens de l’époque faisaient encore trop confiance aux idées exposées par le génial Aristote dans son célèbre Traité du Ciel, impliquant qu’il ne pouvait pas y avoir de nouvelles étoiles apparaissant sur la voûte céleste, celles-ci étant éternelles et immuables.

Bien sûr, aujourd’hui, nous en savons beaucoup plus sur ce que sont les supernovae et les restes d’explosions cosmiques titanesques qu’elles laissent. Et pourtant, les astrophysiciens modernes ont été déroutés par la supernova de 1181 et son reste qu’ils n’ont été capables d’identifier qu’au début des années 2010, l’ayant confondu avec un autre précédemment.

En fait, ce reste, nommé Pa 30, n’a été débusqué initialement que dans le cadre d’un projet de science citoyenne par l’astronome amateur Dana Patchick. En 2013, il avait en effet passé au crible les images d’archives prises par le Wide-field Infrared Survey Explorer, ou Wise, lorsqu’il a fait sa découverte.

Plus tard, en 2023, les astronomes ont découvert d’étranges filaments dans le reste de la supernova, qui ressemblent aux fines vrilles d’une fleur de pissenlit.

Aujourd’hui, grâce à l’imageur Keck Cosmic Web Imager (KCWI) construit par Caltech à l’observatoire W. M. Keck à Hawaï, les astronomes ont, pour la première fois, cartographié l’emplacement de ces filaments inhabituels en trois dimensions, ainsi que la vitesse à laquelle ils s’échappent du site de l’explosion. Un article dans The Astrophysical Journal Letters, dont une version libre existe sur arXiv, donne des détails sur cette réalisation, également exposée dans un communiqué du Keck.

Vue d’artiste d’un reste de supernova, appelé Pa 30. Des restes d’une explosion de supernova observée depuis la Terre en 1181 : des filaments inhabituels de soufre dépassent d’une coquille poussiéreuse de matière éjectée. Les restes de l’étoile d’origine qui a explosé, maintenant une étoile gonflée et chaude qui pourrait refroidir pour devenir une naine blanche, sont visibles au centre du reste. Le Keck Cosmic Web Imager (KCWI) de l’observatoire W.M. Keck à Hawaï a cartographié les étranges filaments en 3D et montré qu’ils fuient vers l’extérieur à environ 1 000 kilomètres par seconde. © Observatoire W.M. Keck, Adam Makarenko

Un type encore peu connu de supernova

Le communiqué explique que l’on savait que SN 1181 était du type SN Iax. Elles sont environ 100 fois moins lumineuses que les SN Ia, mais leur nombre dans les galaxies pourrait bien être d’environ un tiers de celui de ces supernovae. On ne les observe que dans des galaxies spirales ou irrégulières, mais jamais dans des galaxies elliptiques. Ce qui serait cohérent avec l’idée qu’elles font intervenir des étoiles relativement jeunes.

Comme toutes les SN Ia, elles font intervenir une voire deux naines blanches avec une explosion thermonucléaire qui, cette fois-ci, ne détruit pas complètement l’étoile initiale qui était morte (voir la vidéo ci-dessous), mais lui donne un second souffle, d’où le fait que l’on parle alors d’étoile « zombie ». Le reste Pa 30 de SN 1181 contient de fait une étoile centrale bien visible dans l’infrarouge IRAS 00500+6713. C’est une étoile de type Wolf-Rayet, riche en oxygène, et certains pensent qu’elle est le résultat de la fusion d’une naine blanche CO (carbone-oxygène) et d’une naine blanche ONe (oxygène-néon–magnésium). Pa 30 et IRAS 00500+6713 sont les seuls vestiges connus d’une supernova de type Iax dans la Voie lactée.

Les astrophysiciens savent que les filaments particuliers observés dans Pa 30 et qui brillent via les émissions d’atomes de soufre ont également été générés par la supernova, mais ils ne savent pas comment et quand ils se sont formés. C’est pour en savoir un peu plus qu’ils avaient donc décidé de mesurer les vitesses associées à la matière dans Pa 30 via l’effet Doppler sur les émissions de lumière décalant leurs spectres vers le rouge ou le bleu, selon que la matière s’éloigne ou se rapproche de nous. Cela a permis de reconstituer aussi la structure 3D présentée dans l’animation accompagnant le communiqué du Keck.

Voici quelques explications supplémentaires sur les supernovae SN Iax

Le modèle classique pour une SN Ia était le suivant. Tout commence dans un système binaire où une étoile un peu plus massive que l’autre, mais ne dépassant pas les 8 à 10 masses solaires, évolue plus rapidement en devenant d’abord une naine rouge. Cela la conduit à perdre de la masse avec des vents violents, pour finir par laisser un cadavre stellaire sous la forme d’une naine blanche contenant moins de 1,44 fois la masse du Soleil.

Si les deux étoiles sont assez proches l’une de l’autre, quand la seconde devient à son tour une géante rouge, les forces de marée gravitationnelles de la première lui arrachent de la masse. Il se forme un disque d’accrétion autour de la naine blanche qui voit sa masse augmenter en avalant, pour former ses couches extérieures, de l’hydrogène et de l’hélium, alors que son cœur contient beaucoup de carbone et d’oxygène. Une série de réactions thermonucléaires s’enclenche en s’emballant quand la masse de la naine blanche atteint 1,44 fois celle du Soleil et une explosion thermonucléaire se produit alors, détruisant totalement la naine blanche et laissant un reste de supernova, comme on peut le voir dans l’animation de la vidéo ci-dessous.

Une étoile zombie produite par une SN Iax

Cette image a commencé à se troubler depuis environ une décennie. On a d’abord suspecté que certaines SN Ia sont parfois des collisions de naines blanches et, de fait, des observations soutiennent ce scénario.

Enfin, depuis quelques années, après avoir été en mesure d’évaluer la masse de naines blanches génitrices de supernovae SN Ia, on a découvert qu’elle était inférieure à la masse de Chandrasekhar, de sorte qu’il est devenu nécessaire de revoir les mécanismes à l’origine de l’explosion thermonucléaire.

De façon surprenante, on a ainsi découvert que dans le cas de la supernova SN 2012Z, non seulement la naine blanche a survécu à une explosion en mode supernova, mais elle est devenue plus brillante. On a décrit ce phénomène en parlant d’étoile « zombie » puisqu’elle est en quelque sorte revenue à la vie, tout en restant fondamentalement le cadavre d’une étoile jadis sur la séquence principale.

Une supernova de type Iax est moins brillante et sa courbe de lumière évolue plus lentement, ce qui a laissé penser aux astrophysiciens nucléaires que SN 2012Z était en quelque sorte une supernova ratée, dont les détails de réactions thermonucléaires derrière l’explosion sont encore mal compris.