Décryptage d’un collier cosmique – L’instabilité de la foule résout une énigme de supernova

Disque de débris Hubble Supernova 1987A

Cette image du télescope spatial Hubble montre l’anneau lumineux de débris de supernova de 1987A. Il s’agit de l’explosion de supernova la plus proche observée depuis près de 400 ans et elle se trouve dans le Grand Nuage de Magellan. Crédit: NASA, ESA et P. Challis (Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian)

Il semblerait que le même mécanisme qui brise les traînées d’avion puisse être à l’œuvre pour former les amas de gaz d’hydrogène qui entourent les débris de la supernova 1987A.

Les physiciens se réfèrent souvent à l’instabilité de Rayleigh-Taylor pour expliquer la formation de structures fluides dans les plasmas, mais cela ne semble pas être l’histoire complète en ce qui concerne l’anneau d’amas d’hydrogène autour de la supernova 1987A, suggère une recherche de l’Université du Michigan.

Dans une étude publiée dans Physical Review Letters, l’équipe soutient que l’instabilité de Crow est mieux adaptée pour expliquer le « collier de perles » encerclant les débris de l’étoile, éclairant ainsi un mystère astrophysique de longue date.

“La partie fascinante à ce sujet est que le même mécanisme qui brise les sillages d’avion pourrait être en jeu ici,” a déclaré Michael Wadas, auteur correspondant de l’étude et étudiant diplômé en génie mécanique à l’époque de l’étude.

Supernova 1987A (Image Webb NIRCam)

Une image en infrarouge proche du débris laissé par la supernova 1987A, prise par le télescope spatial James Webb. Les amas d’hydrogène appelés « collier de perles » apparaissent sous forme de points blancs autour du centre turquoise du débris stellaire, toujours brillant grâce à l’énergie transmise par l’onde de choc de la supernova. Le nombre d’amas est conforme à ce que l’instabilité de Crow aurait pu causer.
Crédit: NASA, ESA, CSA, Mikako Matsuura (Université de Cardiff), Richard Arendt (NASA-GSFC, UMBC), Claes Fransson (Université de Stockholm), Josefin Larsson (KTH), Alyssa Pagan (STScI)

L’Instabilité de Crow à l’œuvre

Dans les traînées de condensation des avions, l’instabilité de Crow crée des cassures dans la ligne lisse de nuages en raison du flux spirale sortant de chaque aile, connu sous le nom de tourbillons marginaux. Ces tourbillons se rejoignent, créant des lacunes – quelque chose que l’on peut voir grâce à la vapeur d’eau dans l’échappement. Et l’instabilité de Crow peut faire quelque chose que l’instabilité de Rayleigh-Taylor ne pouvait pas faire : prédire le nombre d’amas observés autour du débris.

“L’instabilité de Rayleigh-Taylor pourrait vous dire qu’il pourrait y avoir des amas, mais il serait très difficile d’en extraire un nombre,” a déclaré Wadas, qui est maintenant chercheur postdoctoral au California Institute of Technology.

La supernova 1987A est l’une des explosions stellaires les plus célèbres car elle est relativement proche de la Terre à 163 000 années-lumière, et sa lumière est arrivée sur Terre à un moment où des observatoires sophistiqués existaient pour témoigner de son évolution. Il s’agit de la première supernova visible à l’œil nu depuis la supernova de Kepler en 1604, ce qui en fait un événement astrophysique extrêmement rare qui a joué un rôle déterminant dans notre compréhension de l’évolution stellaire.

Supernova Collier de Perles

La simulation montre la forme du nuage de gaz sur la gauche et les tourbillons, ou régions d’écoulement en rotation rapide, sur la droite. Chaque anneau représente un moment ultérieur dans l’évolution du nuage. Elle montre comment un nuage de gaz qui commence comme un anneau régulier et non rotatif devient un anneau bosselé à mesure que les tourbillons se développent. Finalement, le gaz se fragmente en amas distincts. Crédit: Michael Wadas, Laboratoire de calcul scientifique et d’écoulement, Université du Michigan

Formation et Recherches Futures

Alors que beaucoup de choses restent inconnues sur l’étoile qui a explosé, on pense que l’anneau de gaz entourant l’étoile avant l’explosion provient de la fusion de deux étoiles. Ces étoiles ont rejeté de l’hydrogène dans l’espace autour d’elles alors qu’elles devenaient des géantes bleues des dizaines de milliers d’années avant la supernova. Ce nuage en forme d’anneau de gaz a ensuite été secoué par le flux de particules chargées à haute vitesse émanant de la géante bleue, connu sous le nom de vent stellaire. Les amas auraient été formés avant l’explosion de l’étoile.

Les chercheurs ont simulé la manière dont le vent poussait le nuage vers l’extérieur tout en frottant sur la surface, le haut et le bas du nuage étant poussés plus rapidement que le milieu. Cela a provoqué une torsion du nuage sur lui-même, déclenchant l’instabilité de Crow et le faisant se fragmenter en amas assez réguliers devenus le collier de perles. La prédiction de 32 est très proche des 30 à 40 amas observés autour des débris de la supernova 1987A.

“C’est en grande partie pour cette raison que nous pensons que c’est l’instabilité de Crow,” a déclaré Eric Johnsen, professeur de génie mécanique à U-M et dernier auteur de l’étude.

L’équipe aperçu des indications que l’instabilité de Crow pourrait prédire la formation de plus d’anneaux perlés autour de l’étoile, plus loin de l’anneau qui apparaît le plus brillant dans les images télescopiques. Ils ont été heureux de constater que plus d’amas semblent apparaître dans la prise de vue de la caméra en infrarouge proche du télescope spatial James Webb, publiée en août de l’année dernière, a expliqué Wadas.

L’équipe a également suggéré que l’instabilité de Crow pourrait être à l’œuvre lorsque la poussière autour d’une étoile se transforme en planètes, bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour explorer cette possibilité.

Référence: “Mécanisme hydrodynamique pour l’agglomération le long des anneaux équatoriaux de SN1987A et d’autres étoiles” par Michael J. Wadas, William J. White, Heath J. LeFevre, Carolyn C. Kuranz, Aaron Towne et Eric Johnsen, 13 mars 2024, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.111201

L’étude a été soutenue par le Département de l’Énergie, avec des ressources informatiques fournies par l’Extreme Science and Engineering Discovery Environment

Les co-auteurs de l’étude sont: William White et Aaron Towne, un étudiant diplômé et un professeur adjoint en génie mécanique, respectivement; et Heath LeFevre et Carolyn Kuranz, un chercheur et un professeur associé en génie nucléaire et sciences radiologiques, respectivement; tous à U-M.