Une équipe internationale d'astronomes a profité des puissants superordinateurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley aux États-Unis et de l'Observatoire astronomique national au Japon. Après des années de recherche minutieuse et plus de cinq millions d'heures de calcul sur superordinateur, ils ont finalement créé la première simulation hydrodynamique de rayonnement tridimensionnel à haute résolution au monde d'une étrange supernova. La découverte sera publiée dans le dernier numéro de The Astrophysical Journal.

Des simulations tridimensionnelles de supernovae exotiques révèlent les structures turbulentes créées lors de l'éjection de matière lors de l'explosion. Ces structures turbulentes influencent ensuite la luminosité globale et la structure d'explosion de la supernova. La turbulence joue un rôle crucial lors des explosions de supernova et est provoquée par des mouvements irréguliers des fluides, conduisant à une dynamique complexe. Ces structures turbulentes mélangent et déforment la matière, affectant la libération et le transfert d'énergie, affectant ainsi la luminosité et l'apparence de la supernova. Grâce à des simulations tridimensionnelles, les scientifiques comprennent mieux les processus physiques des étranges explosions de supernova et peuvent expliquer les phénomènes observés et les caractéristiques de ces extraordinaires supernovae. Source : Ke-JungChen/ASIAA

Les explosions de supernova sont la fin la plus spectaculaire des étoiles massives. Ils terminent leur cycle de vie par s'autodestruction, libérant instantanément une luminosité équivalente à des milliards de soleils, illuminant l'univers entier. Lors de l'explosion, les éléments lourds formés à l'intérieur de l'étoile sont également éjectés, jetant les bases de la naissance de nouvelles étoiles et planètes et jouant un rôle essentiel dans l'origine de la vie. Par conséquent, les supernovae sont devenues l’un des sujets phares de l’astrophysique moderne, couvrant de nombreuses questions astronomiques et physiques importantes en théorie et en observation, et ont une valeur de recherche importante.

Au cours du dernier demi-siècle, la recherche nous a permis d’acquérir une compréhension relativement complète des supernovae. Cependant, les dernières observations à grande échelle des supernovas commencent à révéler de nombreuses explosions stellaires inhabituelles (supernovae bizarres) qui remettent en question et bouleversent les compréhensions précédemment établies de la physique des supernovas.

Le mystère d'une étrange supernova

Parmi les supernovae étranges, les supernovae superlumineuses et les supernovae éternellement lumineuses sont les plus déroutantes. Les supernovae superlumineuses sont environ 100 fois plus brillantes que les supernovae ordinaires, tandis que la luminosité des supernovae ordinaires ne dure généralement que quelques semaines à 2-3 mois. En revanche, les supernovae éternellement découvertes récemment peuvent conserver leur luminosité pendant plusieurs années, voire plus.

Ce qui est encore plus surprenant, c'est que certaines étranges supernovae présentent des changements de luminosité irréguliers et intermittents, éclatant comme des fontaines. Ces étranges supernovae pourraient détenir la clé pour comprendre l’évolution des étoiles les plus massives de l’univers.

Cette image représente la distribution physique finale d’étranges supernovae. Les quatre quadrants de couleurs différentes représentent différentes grandeurs physiques : I. Température ; II. Vitesse; III. Densité d'énergie du rayonnement ; IV. Densité du gaz. Le cercle pointillé blanc indique l’emplacement de la photosphère de la supernova. Comme vous pouvez le voir sur cette image, l’étoile entière devient turbulente de l’intérieur vers l’extérieur. Les endroits où le matériau éjecté est entré en collision correspondaient étroitement aux positions des photosphères, ce qui suggère qu'un rayonnement thermique a été produit lors de ces collisions, se propageant efficacement vers l'extérieur tout en créant une couche de gaz non uniforme. Cette image nous aide à comprendre la physique de base des supernovae étranges et fournit une explication des phénomènes observés. Source : Ke-JungChen/ASIAA

Origine et structure évolutive

Les origines de ces étranges supernovae ne sont pas entièrement comprises, mais les astronomes pensent qu'elles pourraient provenir d'étoiles inhabituellement massives. Pour les étoiles dont la masse est comprise entre 80 et 140 fois celle du Soleil, des réactions de fusion du carbone se produisent dans leur noyau à l’approche de la fin de leur vie. Au cours du processus, des photons de haute énergie créent des paires électron-positron, déclenchant des pulsations dans le noyau qui provoquent plusieurs contractions violentes.

Ces contractions libèrent de grandes quantités d’énergie de fusion et déclenchent des explosions, conduisant à des explosions massives d’étoiles. Les sursauts eux-mêmes peuvent ressembler à des explosions de supernova ordinaires. De plus, lorsque de la matière à différents stades d’explosion entrent en collision, un phénomène similaire à une supernova supraluminique peut se produire.

Actuellement, le nombre d’étoiles aussi massives dans l’univers est relativement rare, ce qui concorde avec la rareté des supernovae exotiques. Par conséquent, les scientifiques soupçonnent que les étoiles dont la masse est 80 à 140 fois supérieure à celle du soleil sont très probablement les ancêtres d’étranges supernovae. Cependant, la structure évolutive instable de ces étoiles rend leur modélisation assez difficile, et les modèles actuels se limitent principalement à des simulations unidimensionnelles.

Limites des modèles précédents

Cependant, les modèles unidimensionnels précédents présentent également de sérieuses lacunes. Les explosions de supernova créent beaucoup de turbulences, et la turbulence joue un rôle crucial dans l'explosion et la luminosité des supernovae. Cependant, les modèles unidimensionnels ne peuvent pas simuler la turbulence à partir des premiers principes. Ces défis font de la compréhension approfondie des mécanismes physiques à l’origine d’étranges supernovae un problème majeur de l’astrophysique théorique actuelle.

Un bond en avant dans les capacités de simulation

Les simulations à haute résolution des explosions de supernova posent des défis importants. À mesure que l'échelle des simulations augmente, le maintien d'une haute résolution devient de plus en plus difficile, augmentant considérablement la complexité et les exigences de calcul, tout en nécessitant également la prise en compte d'un grand nombre de processus physiques. Chen Kezheng a souligné que le code de simulation de son équipe présente des avantages par rapport à d'autres groupes concurrents en Europe et aux États-Unis.

Les simulations pertinentes précédentes étaient principalement limitées à des modèles de fluides unidimensionnels et à quelques modèles de fluides bidimensionnels, tandis que dans les supernovae exotiques, les effets multidimensionnels et le rayonnement jouent un rôle crucial, affectant le rayonnement optique et la dynamique globale de l'explosion.

La puissance des simulations hydrodynamiques des radiations

Les simulations hydrodynamiques des rayonnements prennent en compte la propagation du rayonnement et son interaction avec la matière. Ce processus complexe de transfert radiatif rend les calculs extrêmement difficiles, et ses exigences et difficultés de calcul sont bien supérieures à celles des simulations de fluides. Cependant, grâce à la vaste expérience de l'équipe en matière de modélisation d'explosions de supernova et de simulations à grande échelle, ils ont finalement réussi à créer la première simulation hydrodynamique de rayonnement tridimensionnelle au monde d'une supernova étrange.

Résultats et implications de la recherche

Les découvertes de l'équipe suggèrent que les explosions intermittentes d'étoiles massives peuvent présenter des caractéristiques similaires à celles de plusieurs supernovae plus faibles. Lorsque des matériaux de différents stades d'explosion entrent en collision, environ 20 à 30 % de l'énergie cinétique du gaz peut être convertie en rayonnement, ce qui est à l'origine du phénomène de supernova superluminale.

De plus, l’effet de refroidissement radiatif amène le gaz éjecté à former une structure en feuille tridimensionnelle dense mais inégale. Cette structure en feuille devient la principale source d’émission lumineuse de la supernova. Les résultats de leurs simulations expliquent efficacement les caractéristiques observées des étranges supernovae mentionnées ci-dessus.

Grâce à des simulations de superordinateurs de pointe, la recherche permet des progrès significatifs dans la compréhension de la physique des supernovae bizarres. Avec le lancement du Next Generation Supernova Survey, les astronomes détecteront des supernovae plus exotiques, approfondissant ainsi notre compréhension des dernières étapes des étoiles généralement massives et de leurs mécanismes d'explosion.