ATLAS100 -- I. A volume-limited sample of supernovae and related transients within 100 Mpc

Cet article présente ATLAS100, un catalogue complet de 1729 supernovae et transitoires explosifs observés par le relevé ATLAS au sein d'un volume limité à 100 Mpc, incluant des données photométriques traitées, des classifications spectroscopiques affinées et une analyse démographique de l'échantillon.

L'essentiel

Imaginez que l'Univers est une immense forêt nocturne. Pendant des décennies, les astronomes ont cherché à comprendre les arbres (les étoiles) et les phénomènes étranges qui s'y produisent, comme des éclairs soudains ou des feux d'artifice cosmiques. Mais souvent, ils regardaient cette forêt de très loin, ou seulement dans certaines zones, ce qui leur donnait une image incomplète et biaisée.

Ce papier scientifique, intitulé ATLAS100, est comme la publication d'un catalogue ultra-précis de tous les feux d'artifice qui ont eu lieu dans un rayon de 100 millions d'années-lumière autour de notre maison (la Voie Lactée) au cours des 5 dernières années.

Voici comment cela fonctionne, expliqué simplement :

1. Le Grand Projecteur : ATLAS

Pour voir ces feux d'artifice, les chercheurs utilisent un système appelé ATLAS. Imaginez quatre télescopes géants (deux en Hawaï, deux en Afrique du Sud et au Chili) qui scannent tout le ciel, nuit après nuit, comme des gardes de sécurité qui ne clignent jamais des yeux.

• Leur mission principale : Chasser les astéroïdes dangereux qui pourraient percuter la Terre.
• Leur bonus : En regardant le ciel aussi souvent, ils capturent des milliers d'explosions d'étoiles (supernovae) et d'autres phénomènes cosmiques qu'ils n'avaient pas vus auparavant.

2. Le Filtrage : La "Salle de Tri"

Le système ATLAS a détecté plus de 23 000 candidats potentiels. Mais tous n'étaient pas des étoiles qui explosent ! C'est là que les chercheurs ont fait le travail de "nettoyage".

• Le tri : Ils ont éliminé les faux positifs. Par exemple, une étoile de notre propre galaxie qui clignote (une naine blanche en colère), une explosion de nova (moins puissante), ou même un astéroïde qui passe juste devant.
• La règle des 100 Mpc : Ils ne voulaient que les événements "de notre quartier". Ils ont défini une limite de distance (100 mégaparsecs, soit environ 326 millions d'années-lumière). Tout ce qui est plus loin est trop petit et trop flou pour être étudié en détail ici.
• Le résultat final : Après ce nettoyage rigoureux, il reste 1 729 événements réels et validés. C'est le catalogue ATLAS100.

3. Les Invités de la Fête : Qui sont-ils ?

Dans ce catalogue, on trouve une grande variété de "types" d'explosions, un peu comme une fête où il y a des gens de tous horizons :

• Les géants classiques (Supernovae de type II) : Ce sont les plus nombreux (40%). Ce sont des étoiles massives qui s'effondrent sur elles-mêmes.
• Les explosions thermonucléaires (Type Ia) : Environ 35%. Ce sont des naines blanches qui explosent comme une bombe à hydrogène. Elles sont très importantes car elles servent de "règles" pour mesurer l'Univers.
• Les "étrangers" (Gap Transients) : Il y a des événements bizarres, ni très brillants ni très sombres, comme des étoiles qui font des éruptions sans mourir (LBV) ou des collisions d'étoiles à neutrons (kilonovae).
• Les mystères : Environ 13% des événements n'ont pas encore de nom officiel. Ils sont là, on les voit, mais on ne sait pas exactement ce qu'ils sont. C'est comme avoir une photo floue d'un animal inconnu dans la forêt.

4. Pourquoi ce catalogue est-il si spécial ?

Avant, les astronomes regardaient souvent les explosions les plus brillantes, peu importe où elles étaient. Cela créait un biais : on voyait les "stars" mais on ignorait les petites explosions.

• L'approche ATLAS100 : C'est une enquête démographique. Ils ont regardé tout ce qui s'est passé dans ce volume d'espace, qu'il soit brillant ou faible. C'est comme faire un recensement de toute la population d'une ville, pas seulement des millionnaires.
• La précision : Ils ont vérifié l'identité de chaque événement. Pour 87% d'entre eux, ils ont obtenu un "spectre" (une sorte d'ADN lumineux) qui confirme exactement de quel type d'explosion il s'agit.

5. À quoi ça sert ?

Ce catalogue est une mine d'or pour plusieurs raisons :

• Comprendre la mort des étoiles : En ayant un échantillon complet, on peut dire : "Sur 100 étoiles qui meurent, X% font telle explosion".
• Mesurer l'Univers : Les supernovae de type Ia servent à mesurer la distance des galaxies. Avoir un échantillon local parfait aide à calibrer ces mesures pour comprendre l'expansion de l'Univers.
• Préparer l'avenir : Ce travail prépare le terrain pour les futurs télescopes géants (comme le LSST) qui vont voir des millions d'événements. ATLAS100 est le manuel d'instruction pour savoir comment les analyser.

En résumé :
Les auteurs ont pris les données brutes d'un système de surveillance céleste, ont éliminé les déchets, ont vérifié l'identité de chaque événement et ont créé le premier inventaire complet et propre des explosions stellaires dans notre voisinage cosmique immédiat. C'est une base de données fondamentale pour comprendre comment les étoiles naissent, vivent et meurent dans notre coin de l'Univers.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte

L'étude des supernovae (SN) et des transitoires optiques extragalactiques a été révolutionnée par les relevés robotisés à grand champ. Cependant, la plupart des études précédentes souffrent de biais liés à la magnitude (limites de détection) ou à l'échantillonnage des galaxies hôtes. Pour contraindre avec précision les taux volumétriques, les fonctions de luminosité et les canaux de formation des étoiles, il est crucial d'obtenir un échantillon limité en volume (volume-limited) et complet, exempt de biais de sélection liés à la luminosité de l'hôte.

Le défi principal réside dans la capacité à détecter systématiquement tous les transitoires, y compris les objets intrinsèquement faibles (comme les SN Iax, les transitoires "gap" ou les LRNe), au sein d'un volume cosmique défini, tout en assurant une classification spectrale et une identification de l'hôte fiables.

2. Méthodologie

Échantillon et Période d'Observation :

• Source de données : Le relevé ATLAS (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System), conçu à l'origine pour la détection d'astéroïdes, mais exploitant une cadence élevée (1 à 2 jours) et une couverture du ciel entier.
• Période : Du 21 septembre 2017 au 21 juin 2023 (5,75 ans).
• Définition du volume : Un échantillon limité en volume défini par un décalage vers le rouge (redshift) $z \le 0.025$, correspondant à une distance de luminosité $D_L \approx 109$ Mpc (pour $H_0 = 70$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$).
• Critère d'association : Seuls les transitoires situés à moins de 50 kpc (rayon projeté) d'une galaxie hôte identifiée sont inclus.

Sélection et Vétting (Filtrage) :

• Outil d'association : Utilisation du package Python Sherlock pour croiser les transitoires avec des catalogues de galaxies (NED, LASr, Gaia, SDSS, etc.) afin d'attribuer une galaxie hôte et un redshift.
• Complétude des redshifts : L'échantillon inclut les transitoires avec un redshift d'hôte connu, ou ceux dont le redshift spectroscopique (déduit de la classification du transitoire) est $\le 0.025$.
• Rejet des contaminants : Un processus rigoureux de vérification manuelle a permis d'éliminer :
  • Les novae et candidats novae (sauf s'ils sont des transitoires "gap" non classés).
  • Les variables cataclysmiques (CV) galactiques.
  • Les supernovae d'arrière-plan (background SNe) dont le redshift réel dépasse la limite de 0.025.
  • Les erreurs de classification manifestes (incohérence entre la courbe de lumière et le type spectral).
• Reclassification : Réanalyse des spectres et des courbes de lumière pour reclassifier certains objets ambigus (ex: passage de LBV à ILRT ou LRN).

Traitement des Données :

• Photométrie : Utilisation du logiciel ATClean pour nettoyer, filtrer et biner (par nuit) les données photométriques ATLAS (filtres $c$ et $o$).
• Ajustement de courbes de lumière : Application de modèles analytiques (modèle Bazin pour la plupart des types, modèle SALT2 pour les SN Ia, modèle Villar pour les SN II) pour extraire la luminosité de pic et la durée caractéristique (temps au-dessus de la moitié du pic).

3. Contributions Clés

1. Le Catalogue ATLAS100 : Publication d'un catalogue complet de 1729 transitoires extragalactiques dans un rayon de 100 Mpc. C'est l'un des plus grands échantillons limités en volume jamais constitués.
2. Données Publiques : Mise à disposition publique de toutes les courbes de lumière ATLAS nettoyées, binnées et calibrées pour chaque transitoire de l'échantillon.
3. Complétude Spectrale : L'échantillon atteint une complétude spectrale de 87 %, permettant une analyse démographique robuste.
4. Révision des Classifications : Correction systématique des classifications erronées ou ambiguës, notamment pour les transitoires de faible luminosité et les "gap transients".

4. Résultats Principaux

Statistiques et Démographie :

• Répartition des types :
  • SN II (Hydrogène-rich) : 40 % de l'échantillon total (46 % des objets classés).
  • SN Ia (Thermonucléaires) : 35,4 % des objets classés.
  • SN à enveloppe dépouillée (SESNe) : 15,8 % (incluant Ib, Ic, IIb).
  • Autres transitoires : 2,3 % (TDE, LRN, ILRT, CaST, LBV, LFBOT).
  • Non classés : 13,1 % (présentant des propriétés similaires aux SN classés, légèrement plus faibles).
• Redshift : Le redshift médian de l'échantillon est de $z = 0.018$.
• Complétude des redshifts d'hôtes : 83 % des galaxies hôtes possèdent un redshift spectroscopique connu dans les catalogues existants, ce qui est cohérent avec les attentes pour le volume local.

Propriétés Physiques et Séparation Hôte :

• Séparation Hôte-Transitoire : La distribution des séparations projetées montre que la majorité des SN II et SESNe se produisent à moins de 30 kpc de leur hôte. Les SN Ia montrent une distribution plus étendue, avec une sous-catégorie (Ia-91bg) préférant les régions périphériques des galaxies elliptiques.
• Diagramme Durée-Luminosité : Les courbes de lumière ajustées permettent de positionner les transitoires dans l'espace des phases.
  • Les SN Ia-normales forment un groupe homogène ($M_o \approx -18.7$, durée $\approx 33$ jours).
  • Les SN Iax sont très hétérogènes et faibles ($M_o \approx -16.6$).
  • Les transitoires "gap" (LRN, ILRT) occupent une région intermédiaire ($-10 \gtrsim M \gtrsim -16$).
• Découvertes Notables : L'échantillon inclut des objets célèbres comme SN 2023ixf (SN II proche), AT 2018cow (LFBOT), et plusieurs TDEs et LRN bien étudiés.

Limites de l'Échantillon :

• L'échantillon n'est pas complet pour les objets intrinsèquement très faibles ($M_o > -16$) à 100 Mpc, en particulier pour les SN Iax très faibles et certains transitoires "gap".
• Une fraction de contaminants d'arrière-plan (background SNe) pourrait subsister dans le sous-ensemble non classé, bien que l'estimation soit faible ($\lesssim 10$ objets).

5. Signification Scientifique

• Référence pour les Taux Volumétriques : ATLAS100 fournit une base solide pour calculer les taux de supernovae par type sans biais de sélection de la galaxie hôte, essentiel pour comprendre l'évolution stellaire.
• Calibration Cosmologique : La population de SN Ia à faible redshift ($z < 0.025$) est cruciale pour ancrer le diagramme de Hubble et réduire les incertitudes systématiques dans la mesure de l'énergie noire.
• Étude des Transitoires Rares : La nature limitée en volume permet d'étudier statistiquement des classes rares (TDE, LFBOT, CaST) qui sont souvent sous-représentées dans les relevés limités en magnitude.
• Futur : Ce papier est le premier d'une série qui exploitera ces données pour contraindre les paramètres physiques, les fonctions de luminosité et les taux volumétriques avec une signification statistique élevée. Les données serviront également de référence pour les futurs relevés comme le LSST (Rubin Observatory).

En résumé, ATLAS100 représente une avancée majeure dans la cartographie de l'Univers local, offrant un catalogue de référence propre, complet et riche en données photométriques pour l'astrophysique des transitoires.