The efficient star-forming regions of stripped-envelope supernovae

Les étoiles sont les moteurs qui pilotent l'évolution chimique des galaxies. Lorsque les étoiles massives, celles qui sont au moins huit fois plus lourdes que notre Soleil, atteignent la fin de leur vie, elles explosent en supernovae. Ces événements violents ne sont pas seulement des spectacles spectaculaires ; ils sont fondamentaux pour le fonctionnement des galaxies. Les explosions dispersent des éléments lourds dans l'espace, créent de la poussière et injectent de l'énergie qui peut soit déclencher, soit supprimer la naissance de nouvelles étoiles. Pour comprendre comment les galaxies changent au fil du temps, les astronomes doivent comprendre les étoiles qui explosent. Plus précisément, ils doivent savoir quel type d'étoiles meurent et à quoi ressemble l'environnement au moment exact de l'explosion.

Il existe deux grandes familles de ces explosions d'étoiles massives. Une famille, appelée supernovae riches en hydrogène, conserve sa couche externe de gaz d'hydrogène lorsqu'elle explose. L'autre famille, connue sous le nom de supernovae à enveloppe dépouillée, a perdu sa couche d'hydrogène avant l'explosion, laissant derrière elle un cœur nu. Pendant des décennies, les scientifiques ont débattu pour savoir pourquoi ces deux types d'étoiles explosent de manières différentes. Une théorie suggère que les étoiles à enveloppe dépouillée sont simplement beaucoup plus lourdes et meurent plus jeunes, tandis qu'une autre propose qu'elles font partie de systèmes binaires où une étoile compagne dépouille l'étoile de son hydrogène. La clé pour résoudre ce mystère réside dans la mesure de l'efficacité avec laquelle le gaz autour de l'explosion se transforme en nouvelles étoiles.

Une équipe d'astronomes a maintenant franchi une étape significative vers la réponse à cette question en observant directement les lieux de naissance de ces étoiles explosives. En utilisant de puissants télescopes, ils ont mesuré la quantité de gaz froid disponible pour former des étoiles et le taux auquel ce gaz est réellement converti en nouvelles étoiles aux endroits précis où des supernovae se sont récemment produites. Ils se sont concentrés sur un groupe spécifique de galaxies proches, les observant avec suffisamment de détails pour voir les nuages de gaz individuels et les régions de formation d'étoiles, plutôt que seulement la lueur diffuse de la galaxie entière. Leur objectif était de calculer l'efficacité de la formation stellaire, une mesure de l'intensité avec laquelle une région travaille pour transformer son approvisionnement en gaz en étoiles.

Les chercheurs ont combiné les données de deux des observatoires les plus avancés au monde. Ils ont utilisé le Très Grand Télescope pour détecter la lumière du gaz chaud et ionisé, qui agit comme un signal pour la formation stellaire récente. Simultanément, ils ont utilisé le Grand Réseau Millimétrique d'Atacama pour cartographier le gaz moléculaire froid, qui est le carburant brut pour la fabrication des étoiles. En comparant la luminosité du gaz chaud à la masse du gaz froid, ils ont pu déterminer l'efficacité de chaque région à produire des étoiles. Cette méthode leur a permis d'observer les environs immédiats de quarante-deux supernovae différentes, incluant vingt et une explosions riches en hydrogène et dix-neuf explosions à enveloppe dépouillée.

Les résultats ont révélé une différence frappante entre les deux types d'explosions. Il s'est avéré que les supernovae à enveloppe dépouillée se trouvaient dans des régions qui formaient des étoiles huit fois plus efficacement que les régions où les supernovae riches en hydrogène se sont produites. En d'autres termes, les environnements où les étoiles à enveloppe dépouillée ont explosé convertissaient leur gaz en nouvelles étoiles à un rythme beaucoup plus rapide. Cependant, la quantité totale de gaz disponible dans ces régions était sensiblement la même pour les deux types de supernovae. Cette découverte est cruciale car elle suggère que la différence ne provient pas simplement d'un plus grand stock de carburant, mais de l'intensité avec laquelle ce carburant est utilisé.

Cette observation remet en question l'idée selon laquelle les étoiles à enveloppe dépouillée sont exclusivement les étoiles les plus massives de l'univers. Si elles étaient simplement les plus lourdes, on s'attendrait à ce qu'elles explosent dans les poches de gaz les plus denses, là où l'approvisionnement en carburant est le plus important. Au lieu de cela, les données montrent qu'elles explosent dans des régions où le gaz est traité avec une efficacité extrême. Les auteurs suggèrent deux explications possibles à ce phénomène. Une possibilité est que la masse initiale des étoiles dans ces régions est biaisée vers le haut de l'échelle, ce qui signifie que les étoiles les plus massives sont plus communes là que dans les régions de formation d'étoiles typiques. Cela augmenterait le taux de formation d'étoiles sans nécessairement augmenter la masse totale de gaz.

La seconde explication, et peut-être la plus convaincante, implique les systèmes d'étoiles binaires. Dans ce scénario, les étoiles à enveloppe dépouillée ne sont pas nécessairement les étoiles simples les plus massives, mais plutôt des étoiles qui ont interagi avec une compagne. La turbulence intense et la haute efficacité de la formation d'étoiles dans ces régions pourraient encourager la formation de paires binaires. Lorsque deux étoiles se forment à proximité l'une de l'autre, elles peuvent se dépouiller mutuellement de leurs couches externes, menant à une explosion à enveloppe dépouillée. La haute efficacité de la formation d'étoiles dans ces régions expliquerait également la lueur brillante du gaz ionisé observé, car les systèmes binaires sont connus pour produire plus de rayonnement ionisant que les étoiles simples de même masse.

L'étude confirme que les supernovae à enveloppe dépouillée préfèrent exploser dans des environnements caractérisés par une formation d'étoiles intense et efficace, plutôt que dans de simples environnements dotés d'une grande quantité de gaz. Bien que les chercheurs ne puissent pas encore affirmer de manière définitive lequel des deux scénarios est correct, leurs données suggèrent fortement que l'image standard de ces étoiles en tant que de simples « étoiles simples très massives » est incomplète. Les conclusions pointent vers une interaction complexe où l'efficacité de l'environnement de formation stellaire, ainsi que la probabilité que les étoiles se forment en paires, jouent un rôle décisif dans la manière dont une étoile massive termine sa vie. Ce travail offre une nouvelle façon d'envisager la mort des étoiles, montrant que l'efficacité de leur environnement de naissance laisse une marque durable sur la nature de leur explosion finale.