The fraction of periodic SN Ib/c light curves

Lorsqu'une étoile massive vient à manquer de carburant, elle s'effondre et explose, envoyant un éclat de lumière brillant à travers l'univers. Ces explosions, connues sous le nom de supernovae, figurent parmi les événements les plus énergétiques de la nature. Pendant longtemps, les astronomes ont cru que la lumière de ces explosions s'estompait simplement selon une courbe lisse et prévisible, comme une bougie qui se consume. Cependant, des observations récentes ont révélé que certaines de ces étoiles mourantes ne s'éteignent pas silencieusement. Au lieu de cela, leur luminosité oscille de haut en bas selon un motif régulier en diminuant. Cette pulsation rythmique est un phénomène rare et déroutant. Cela suggère que l'étoile qui explosait n'était pas seule ; elle avait probablement une étoile compagne en orbite autour d'elle. Au moment de l'explosion, le nouveau noyau dense laissé derrière elle aurait pu interagir avec cette compagne, créant un bras de fer gravitationnel qui a provoqué les pulsations de la lumière. Comprendre la fréquence à laquelle cela se produit aide les scientifiques à déterminer combien d'étoiles vivent en couples et comment elles évoluent avant de mourir.

Une équipe de chercheurs de l'Institut de science de Weizmann a décidé d'examiner systématiquement ce comportement. Ils voulaient savoir si ces explosions pulsantes étaient seulement quelques accidents étranges ou si elles représentaient un groupe significatif de supernovae. Pour le découvrir, ils se sont tournés vers le Zwicky Transient Facility, un puissant télescope en Californie qui balaie le ciel chaque nuit, capturant des milliers de sources lumineuses changeantes. L'équipe s'est concentrée sur un type spécifique de supernova appelé Type Ib ou Ic. Ce sont les explosions d'étoiles qui ont déjà perdu leurs couches externes d'hydrogène et d'hélium, souvent parce qu'une étoile compagne les a dépouillées avant l'explosion. Les chercheurs ont rassemblé des courbes de lumière, qui sont des enregistrements de la façon dont ces étoiles paraissent brillantes au fil du temps, pour trente-quatre candidats différents. Ils avaient besoin de données de haute qualité avec suffisamment de mesures pour repérer un motif, ils ont donc sélectionné uniquement les événements pour lesquels le télescope avait observé l'étoile pendant un temps suffisant et pris assez de photos.

Pour trouver les rythmes cachés dans les données, l'équipe a conçu une nouvelle méthode informatique plus rigoureuse que les tentatives précédentes. Au lieu de lisser d'abord l'affaiblissement général de l'étoile puis de chercher les ondulations dans les résidus, leur méthode traitait l'affaiblissement et les ondulations comme un problème unique et connecté. Ils ont ajusté une courbe mathématique à la déclin global de la lumière tout en testant simultanément un motif d'onde répétitif. Cette approche a empêché l'ordinateur de masquer accidentellement un signal réel en le lissant trop tôt. Ils ont appliqué ce test rigoureux à chaque courbe de lumière de leur échantillon, recherchant tout cycle de répétition qui se distinguait clairement du bruit aléatoire. Ils ont établi un standard très élevé pour ce qui comptait comme une découverte, exigeant que le motif apparaisse clairement dans deux couleurs de lumière différentes observées par le télescope, garantissant ainsi que le signal était réel et non un simple bug dans les données.

La recherche a donné trois résultats clairs. Deux d'entre eux étaient des étoiles déjà identifiées par d'autres astronomes comme présentant ce comportement pulsant : SN 2022jli et SN 2022esa. La méthode de l'équipe a réussi à récupérer les motifs connus dans ces étoiles, confirmant que leur nouvelle approche fonctionnait. SN 2022jli présentait une pulsation environ tous les douze jours, tandis que SN 2022esa pulsait environ tous les trente-quatre jours. Mais la découverte la plus excitante fut une troisième étoile, SN 2020sgf, qui n'avait pas été précédemment signalée comme candidate périodique. Cette étoile, qui a explosé en 2020, présentait un motif répétitif clair d'environ trente jours dans une couleur de lumière et d'environ trente-six jours dans une autre. Bien que le timing exact diffère légèrement entre les deux couleurs, la différence était suffisamment petite pour être cohérente avec le même rythme sous-jacent. Cette découverte a ajouté un nouveau membre au petit club des supernovae pulsantes.

Pour comprendre ce que ces trois découvertes signifiaient pour la population plus large d'étoiles en explosion, les chercheurs ont dû tenir compte des limites de leur recherche. Ils ont réalisé que leur télescope ne pouvait pas voir tous les rythmes possibles. Si une étoile pulsait très lentement, ou si la pulsation était très faible, le télescope pourrait la manquer entièrement, surtout si l'étoile s'estompait trop rapidement ou était cachée par l'éclat du soleil pendant une partie de l'année. Pour mesurer cet angle mort, ils ont lancé des milliers de simulations informatiques. Ils ont pris les données réelles de leurs trente-quatre étoiles et ont secrètement ajouté de faux signaux pulsés de différentes intensités et vitesses. Ensuite, ils ont passé leur méthode de détection sur ces données modifiées pour voir à quelle fréquence elle trouvait les faux signaux. Ce processus a créé une carte de leur sensibilité, montrant exactement quels types d'étoiles pulsantes ils pouvaient attraper et lesquels ils allaient probablement manquer.

Avec cette carte de sensibilité en main, l'équipe a comparé leurs résultats aux modèles théoriques du comportement des étoiles dans les systèmes binaires. Ces modèles prédisent qu'un certain pourcentage de supernovae à enveloppe dépouillée devrait présenter ce comportement pulsant en raison des interactions avec une compagne. Les chercheurs ont constaté que si seule une infime fraction de ces étoiles pulsait, ils auraient été très peu susceptibles de trouver trois d'entre elles dans leur échantillon. Le fait qu'ils en aient trouvé trois suggère que le nombre réel est plus élevé. Leur analyse indique que les modèles prédisant qu'environ vingt pour cent de ces supernovae sont périodiques sont cohérents avec leurs observations. Cela signifie que ces explosions rythmiques ne sont pas des curiosités exceptionnellement rares. Au contraire, elles représentent probablement un sous-groupe substantiel d'étoiles mourantes, peut-être une sur cinq, qui interagissent avec une compagne dans les derniers instants de leur vie.

L'étude a également souligné l'importance d'examiner les données avec un regard neuf. Les chercheurs ont noté que deux des périodes trouvées étaient proches du cycle de vingt-neuf jours et demi de la lune. Bien que la lumière de la lune puisse parfois créer de faux motifs dans les données de télescopes, l'équipe n'a trouvé aucune preuve que leurs découvertes étaient causées par cet effet. Les signaux étaient forts et cohérents à travers différentes couleurs de lumière, pointant vers une cause physique au sein même des étoiles. Ce travail démontre qu'avec les bons outils et un échantillon suffisamment large, les astronomes peuvent aller au-delà de l'étude d'objets étranges individuels pour comprendre la population globale. La découverte de SN 2020sgf, ainsi que la confirmation des autres, suggère que l'univers est rempli de ces interactions binaires, attendant d'être découvertes par la prochaine génération de relevés du ciel.