Une supernova correspond à l’explosion d’une étoile en fin de vie. L’événement marque la mort de l’étoile. Il s’agit de l’un des phénomènes cosmiques les plus violents de l’univers. Les supernovæ sont tellement brillantes que lorsqu’elles explosent, les astronomes amateurs peuvent les observer au télescope à des millions d’années-lumière, et les astronomes professionnels qui sont mieux équipés peuvent les voir à des milliards d’années-lumière.
Le nom des supernovæ commence par les lettres SN suivies de l’année de leur découverte, puis éventuellement d’une lettre ou d’une suite de lettres correspondant à leur ordre de découverte. Ainsi, SN 1054 est la seule supernova découverte en 1054, et SN 2023ixf a été découverte en 2023, après la supernova SN 2023a, SN 2023b, SN 2023c, etc…
C’est quoi une supernova ?
Durant la séquence principale correspondant à l’âge adulte dans la vie d’une étoile, celle-ci brûle l’hydrogène contenu dans son noyau. Quand tout l’hydrogène du noyau est consommé, elle se met à brûler de l’hélium et devient une géante rouge. C’est lorsque tout l’hélium est à son tour consommé que l’étoile explose en supernova de type II. Mais toutes les étoiles n’ont pas une fin de vie aussi spectaculaire. Les étoiles telles que le Soleil s’épuisent lentement jusqu’à ce que le noyau devienne une naine blanche, c’est-à-dire un corps n’abritant plus aucune réaction nucléaire.
En revanche, dans le cas des étoiles les plus massives (plus de 10 masses solaires), le cœur de l’étoile est tellement dense que la pression exercée par la force de gravité devient supérieure à la pression de dégénérescence des électrons. La conséquence est que les protons et les électrons se mettent à fusionner pour donner des neutrons. La contraction du cœur, qui cède sous l’effet de la gravitation, se produit dans un intervalle de temps très bref, de l’ordre de quelques secondes, et dans une débauche d’énergie fulgurante. La plus grande partie de l’énergie est emportée par l’émission de neutrinos, des particules élémentaires qui interagissent très peu avec la matière. Seule une petite fraction (0,1%) est émise sous forme de lumière. Mais la quantité d’énergie totale est énorme, de l’ordre de 1047 joules, c’est-à-dire le chiffre 1 suivi de 47 zéros. Ce nombre est tellement élevé que même 0.1% de cette énergie est suffisante pour rendre la supernova plus brillante que tout le reste de la galaxie qui l’héberge.
Les supernovæ de type 1a
Nous avons parlé des supernovæ de type II en premier, car il s’agit du scénario standard qui conduit à leur formation. Il existe un autre type de supernova, de type 1a, qui suit un processus différent. Celui-ci commence avec une étoile double, composée d’une naine blanche et d’une géante rouge. Lorsque la géante rouge a atteint un diamètre suffisant, qui fait que sa surface se rapproche de la naine blanche, il s’opère un transfert de matière de la première vers la seconde. La masse de la naine blanche augmente, jusqu’à atteindre la masse de Chandrasekhar. La naine blanche explose alors soudainement en supernova.
Les supernovæ de type 1a ont une particularité. Leur luminosité absolue est connue, elle suit une courbe qui évolue dans le temps et qui est toujours la même. Ces phénomènes, lorsqu’ils se produisent, permettent donc aux astronomes de connaître la distance à laquelle ils se produisent. En effet, on connaît d’un côté la luminosité absolue (qui suit toujours la même courbe), et de l’autre la luminosité apparente (qui se mesure au télescope). Il est donc possible d’en déduire la distance. Cette caractéristique fait des supernovæ de type 1a des chandelles standards, c’est-à-dire que la mesure de leur éclat permet de mesurer les distances dans l’univers. Il existe d’autres chandelles standards, notamment les céphéides. L’avantage des supernovæ de type 1a et qu’il s’agit de phénomènes extrêmement brillants. Elles permettent donc de mesurer la distance de galaxies très éloignées, de l’ordre du milliard d’années-lumière.
Ce qu’il reste après une supernova
Dans le cas des supernovæ de type II, le cœur de l’étoile s’effondre pour donner naissance à une étoile à neutrons, ou un trou noir lorsque l’étoile a une masse supérieure à 25 masses solaires. Une partie de l’énergie dégagée (environ 1%) est convertie en énergie cinétique, c’est-à-dire qu’elle produit un vent solaire qui entraîne l’enveloppe externe dans son mouvement. L’explosion d’une supernova laisse donc derrière elle un corps extrêmement dense (une étoile à neutron ou un trou noir), ainsi qu’une nébuleuse (aussi appelée rémanent de supernova) qui s’étire indéfiniment dans l’espace. La nébuleuse contribue à enrichir le milieu interstellaire en éléments lourds.
En effet, c’est dans les supernovæ que sont synthétisés tous les éléments plus lourds que le fer. La raison est que la fusion du fer présente un bilan énergétique négatif. Elle consomme plus d’énergie qu’elle n’en produit. Elle ne peut donc pas perdurer de manière stable et durable, d’autant qu’elle requière des conditions de température et de pression hors de portée des étoiles ordinaires. En revanche, l’explosion d’une supernova dégage suffisamment d’énergie pour qu’une partie entraîne la nucléosynthèse des éléments lourds. Cette réaction ne peut pas se maintenir dans le temps, elle se produit seulement dans le court laps de temps que dure la supernova. Mais la quantité d’énergie issue de l’explosion étant gigantesque, elle génère malgré tout une très grande quantité d’éléments lourds. La totalité de ces éléments présents dans l’univers, y compris sur Terre, provient de l’explosion des supernovæ.
Quant aux supernovæ de type 1a, elles explosent en ne laissant aucun corps derrière elles. La totalité de la naine blanche est vaporisée, de sorte que toute la matière est expulsée dans l’espace. Elle forme une nébuleuse qui va également enrichir le milieu interstellaire en éléments lourds.
Une supernova est-elle un phénomène rare ?
À l’échelle humaine, les supernovæ sont des phénomènes rares. On estime qu’il s’en produit en moyenne trois par siècle et par galaxie. Mais il y aurait environ 2000 milliards de galaxies dans l’univers. Et comme les supernovæ sont des phénomènes très brillants, cela fait beaucoup de supernovæ potentiellement visibles par les astronomes depuis la Terre. Mais la plupart d’entre elles nous échappent car les astronomes professionnels ne peuvent pas observer la totalité du ciel à chaque instant. Leurs télescopes sont généralement pointés vers des régions très précises du ciel et sont incapables de couvrir de larges champs. Cela va changer avec l’arrivée du télescope Vera Rubin prévue en juillet 2024 et qui sera capable d’observer l’intégralité de l’hémisphère sud en l’espace de seulement trois nuits.
La dernière supernova qui s’est produite dans la Voie Lactée et qui a pu être observée par les astronomes est SN 1604. Elle a été étudiée par Johannes Kepler (le même à qui on doit les lois de Kepler qui décrivent le mouvement des planètes). De nombreuses autres supernovæ sont observées chaque année, mais elles se produisent dans d’autres galaxies que la nôtre, à des distances de plusieurs millions ou milliards d’années-lumière.
Observer une supernova
L’humanité a déjà observé des supernovæ dans le passé sans comprendre le phénomène. Ainsi, les historiens rapportent les traces de l’observation de plusieurs supernovæ, dites historiques. Dans le cas des supernovæ de 1006 et de 1054, les témoignages rapportent qu’une nouvelle étoile est apparue et est devenue visible en plein jour, puis est demeurée visible la nuit pendant encore environ deux ans. Parmi ces supernovæ historiques, cinq d’entre elles sont identifiées de manière certaine (SN 1006, SN 1054, SN 1181, SN 1572 et SN 1604). La plus spectaculaire d’entre elles est la supernova de 1054. Son rémanent est visible au télescope par les astronomes amateurs et correspond à la nébuleuse M1 dans la constellation du Taureau, à environ 5000 années-lumière.
En 2019, l’étoile Bételgeuse a vu son éclat diminuer soudainement d’environ 20%, ce qui est considérable. Or, les astronomes savent que Bételgeuse est une géante rouge, et donc une étoile en fin de vie. On a alors cru qu’on allait assister à l’explosion d’une supernova. Mais il n’en a rien été. L’éclat de Bételgeuse est revenu à son niveau normal après un ou deux ans. Si elle avait donné naissance à une supernova, celle-ci aurait été particulièrement spectaculaire car l’étoile se situe à environ 500 années-lumière, c’est-à-dire qu’elle se trouve dans notre proche voisinage. Il est certain que le phénomène se produira tôt ou tard, mais il est difficile de dire s’il surviendra dans un avenir proche, ou s’il faudra attendre des dizaines, des centaines ou des milliers d’années.
La dernière supernova qui a pu être observée au télescope par les astronomes amateurs est SN 2023ixf dans la galaxie M101 située dans la constellation de la Grande Ourse à 21 millions d’années-lumière.
Le Soleil va-t-il exploser en supernova ?
Le Soleil fait partie de la catégorie des naines jaunes, qui sont des étoiles de masse moyenne. Il va encore rester dans la séquence principale pendant environ 4,5 milliards d’années. Après quoi son destin est de devenir une géante rouge puis, après quelques centaines de millions d’années, une naine blanche. Le Soleil n’est pas suffisamment massif pour devenir une étoile à neutrons ou un trou noir. Il va s’éteindre lentement, sans explosion spectaculaire. Mais l’enveloppe externe du Soleil va être soufflée par un vent lent et régulier qui va produire une nébuleuse planétaire (rien à voir avec une planète, si ce n’est la forme régulière). La naine blanche qui subsistera au cœur de la nébuleuse deviendra en quelques milliers d’années une naine noire. Le Soleil sera alors totalement mort et n’émettra plus aucune lumière.