Dans le monde de l'astrophysique, où les frontières de notre compréhension de l'univers sont constamment repoussées, une équipe internationale de scientifiques, dirigée par des astrophysiciens de l'Université Northwestern, a récemment enregistré un type d'explosion d'étoile jusqu'alors inconnu, appelé supernova. Cette découverte extraordinaire, nommée SN2021yfj, nous offre un aperçu unique des mécanismes internes d'une étoile mourante, révélant des couches d'éléments lourds tels que le silicium, le soufre et l'argon, ce qui contredit les observations habituelles.

Une découverte incroyable : une supernova mise à nu jusqu'à son cœur

Lorsque les étoiles massives subissent leur explosion spectaculaire, les astrophysiciens s'attendent généralement à des signaux forts d'éléments plus légers, principalement l'hydrogène et l'hélium. Cependant, la supernova SN2021yfj a montré une signature chimique étonnamment différente. Sa lumière était riche en silicium, soufre et argon, des éléments que l'on trouve généralement au plus profond du noyau stellaire. Cette découverte a suscité une grande excitation au sein de la communauté scientifique, car elle fournit une preuve directe de la structure en couches des géantes stellaires, longtemps théorisée, et offre un regard sans précédent sur l'intérieur profond d'une étoile massive – quelques instants seulement avant sa mort explosive.

Les observations de SN2021yfj suggèrent fortement que l'étoile massive, d'une manière ou d'une autre inhabituelle, a perdu ses couches externes d'hydrogène, d'hélium et de carbone avant d'exploser. Cela a entraîné l'exposition des couches internes riches en silicium et en soufre. L'étude décrivant cette découverte révolutionnaire a été publiée le 20 août 2025 dans la prestigieuse revue Nature.

« C'est la première fois que nous voyons une étoile littéralement dépouillée jusqu'à l'os », a déclaré Steve Schulze de l'Université Northwestern, qui a dirigé l'étude. « Cela nous montre comment les étoiles sont structurées et prouve que les étoiles peuvent perdre une énorme quantité de matière avant d'exploser. Non seulement elles peuvent perdre leurs couches les plus externes, mais elles peuvent être complètement dépouillées jusqu'au cœur et produire tout de même une explosion brillante que nous pouvons observer à de très, très grandes distances. »

« Cet événement ne ressemble littéralement à rien de ce que quiconque a jamais vu auparavant », a ajouté Adam Miller, également de l'Université Northwestern et l'un des principaux auteurs de l'étude. « C'était presque si étrange que nous avons pensé que nous n'observions peut-être pas le bon objet. Cette étoile nous dit que nos idées et nos théories sur la façon dont les étoiles évoluent sont trop étroites. Ce n'est pas que nos manuels sont incorrects, mais ils n'englobent manifestement pas tout ce qui est produit dans la nature. Il doit y avoir des voies plus exotiques pour qu'une étoile massive mette fin à sa vie que nous n'avions pas envisagées. »

Schulze, un expert des objets transitoires les plus extrêmes en astronomie, est chercheur associé au Centre de Recherche et d'Exploration Interdisciplinaire en Astrophysique (CIERA) à Northwestern. Miller est professeur adjoint de physique et d'astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences à Northwestern et un membre éminent de CIERA et de l'Institut d'IA NSF-Simons pour le Ciel.

La structure en couches des étoiles massives : un 'oignon' cosmique

Les étoiles massives, dont la masse peut être de 10 à 100 fois supérieure à celle de notre Soleil, sont alimentées par la fusion nucléaire. Dans ce processus, une pression intense et une chaleur extrême dans le noyau stellaire provoquent la fusion d'éléments plus légers, créant des éléments plus lourds. Les scientifiques ont longtemps émis l'hypothèse que les étoiles massives ont une structure en couches, semblable à un oignon. Les couches les plus externes sont principalement constituées des éléments les plus légers, comme l'hydrogène et l'hélium. À mesure que l'on se déplace vers l'intérieur, les éléments deviennent de plus en plus lourds, jusqu'à atteindre le noyau de fer le plus profond.

Lorsque la température et la densité dans le noyau augmentent, la fusion commence également dans les couches externes. Au fur età mesure que l'étoile évolue dans le temps, des éléments successivement plus lourds sont fusionnés dans le noyau, tandis que des éléments plus légers sont fusionnés dans une série de coquilles entourant le noyau. Ce processus se poursuit, conduisant finalement à un noyau composé de fer. Le fer est le produit final de la fusion dans les étoiles car sa fusion ne libère pas d'énergie, mais en consomme. Lorsque le noyau de fer devient trop gros et instable, il s'effondre sous sa propre gravité, déclenchant une explosion massive connue sous le nom de supernova de type II, ou conduisant à la formation d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons.

Bien que les étoiles massives rejettent généralement des couches avant d'exploser, SN2021yfj a éjecté beaucoup plus de matière que les scientifiques n'en avaient jamais détecté auparavant. D'autres observations d'« étoiles dépouillées » ont révélé des couches d'hélium ou de carbone et d'oxygène – exposées après la perte de l'enveloppe d'hydrogène externe. Mais les astrophysiciens n'avaient jamais regardé plus profondément, ce qui suggère que quelque chose d'exceptionnellement violent et extraordinaire a dû être à l'œuvre.

La recherche d'une anomalie cosmique : comment SN2021yfj a vu le jour

La découverte de SN2021yfj a commencé en septembre 2021, lorsque Schulze et son équipe ont utilisé le Zwicky Transient Facility (ZTF), un télescope situé à l'est de San Diego. Le ZTF utilise une caméra à grand champ pour balayer l'ensemble du ciel nocturne visible. Depuis son lancement, le ZTF est devenu le principal moteur mondial de découverte de transitoires astronomiques – des phénomènes de courte durée comme les supernovae qui s'embrasent soudainement puis s'estompent rapidement.

En fouillant les données du ZTF, Schulze a remarqué un objet extrêmement brillant dans une région de formation d'étoiles, à 2,2 milliards d'années-lumière de la Terre. Pour obtenir plus d'informations sur l'objet mystérieux, l'équipe a voulu obtenir son spectre, qui décompose la lumière diffusée en ses couleurs constitutives. Chaque couleur représente un élément différent. Par conséquent, en analysant le spectre d'une supernova, les scientifiques peuvent déterminer quels éléments sont présents dans l'explosion.

Bien que Schulze soit immédiatement passé à l'action, la recherche du spectre a rencontré de nombreux obstacles. Les télescopes du monde entier étaient soit indisponibles, soit ne pouvaient pas percer les nuages pour obtenir une image claire. Heureusement, l'équipe a eu la surprise d'un collègue astronome, qui avait collecté un spectre à l'aide d'instruments de l'Observatoire W.M. Keck à Hawaï.

« Nous pensions avoir complètement perdu l'occasion d'obtenir ces observations », a déclaré Miller. « Nous sommes donc allés nous coucher très déçus. Mais le lendemain matin, un collègue de l'UC Berkeley nous a livré le spectre de manière inattendue. Sans ce spectre, nous n'aurions peut-être jamais réalisé qu'il s'agissait d'une explosion étrange et inhabituelle. »

« Nous avons vu une explosion intéressante, mais nous n'avions aucune idée de ce que c'était », a déclaré Schulze à propos de SN2021yfj. « Nous avons presque immédiatement réalisé que c'était quelque chose que nous n'avions jamais vu auparavant, nous avons donc dû l'étudier avec toutes les ressources disponibles. »

Le mystère de l'étoile dépouillée : qu'est-ce qui a causé ce pelage extrême ?

Au lieu des éléments typiques comme l'hélium, le carbone, l'azote et l'oxygène – que l'on trouve dans d'autres supernovae dépouillées – le spectre de SN2021yfj était dominé par de forts signaux de silicium, de soufre et d'argon. Ces éléments plus lourds sont formés par la fusion nucléaire au plus profond d'une étoile massive pendant ses dernières étapes de vie. Cela signifie que l'étoile a dû perdre la quasi-totalité de ses couches externes, révélant son intérieur juste avant l'explosion.

« Cette étoile a perdu la majeure partie de la matière qu'elle a produite au cours de sa vie », a expliqué Schulze. « Nous ne pouvions donc voir que la matière formée dans les mois précédant son explosion. Quelque chose de très violent a dû se produire pour causer cela. »

Bien que la cause précise de ce phénomène reste une question ouverte, Schulze et Miller suggèrent qu'un processus rare et puissant était à l'œuvre. Ils explorent plusieurs scénarios, notamment des interactions avec une éventuelle étoile compagne, une éruption massive avant la supernova, ou même des vents stellaires inhabituellement forts. Chacun de ces mécanismes pourrait expliquer la perte des couches externes, mais l'ampleur du dépouillement de SN2021yfj indique quelque chose de plus extrême.

L'un des scénarios les plus probables, selon l'équipe, est que cette mystérieuse supernova est le résultat d'une étoile massive qui se déchire littéralement. À mesure que le noyau de l'étoile se contracte sous sa propre gravité, il devient encore plus chaud et plus dense. La chaleur et la densité extrêmes relancent alors la fusion nucléaire avec une intensité si incroyable qu'elle provoque une puissante bouffée d'énergie qui souffle les couches externes de l'étoile. Ce processus, connu sous le nom d'instabilité de paires, peut conduire à des éruptions pulsantes qui éjectent d'énormes quantités de matière. Chaque fois que l'étoile traverse un nouvel épisode d'instabilité de paires, l'impulsion correspondante éjecte plus de matière.

« L'une des éjections de coquille les plus récentes est entrée en collision avec une coquille préexistante, ce qui a produit l'émission brillante que nous avons vue sous le nom de SN2021yfj », a déclaré Schulze, expliquant comment cette collision a créé le flash exceptionnellement brillant qui était visible depuis la Terre.

« Bien que nous ayons une théorie sur la façon dont la nature a créé cette explosion spécifique », a déclaré Miller, « je ne parierais pas ma vie que c'est exact, car nous n'avons encore qu'un seul exemple découvert. Cette étoile souligne vraiment la nécessité de découvrir davantage de ces supernovae rares pour mieux comprendre leur nature et comment elles se forment. »

Implications pour l'astrophysique : un nouveau regard au cœur des géantes mourantes

La découverte de SN2021yfj représente une avancée significative en astrophysique. Elle fournit une preuve empirique directe pour les modèles théoriques de l'évolution stellaire qui prédisent la structure en couches des étoiles massives. Jusqu'à présent, de tels modèles reposaient sur des observations indirectes et des simulations informatiques. Désormais, avec SN2021yfj, les scientifiques ont l'occasion d'observer directement les couches internes profondes d'une étoile juste avant sa mort, ce qui est inestimable pour calibrer et affiner les théories existantes.

Cette supernova soulève également de nouvelles questions sur les mécanismes de perte de masse des étoiles massives. Si les étoiles peuvent perdre autant de matière, au point d'être dépouillées jusqu'à leur noyau de silicium, cela pourrait avoir des implications significatives sur notre compréhension de la formation des trous noirs, des étoiles à neutrons et de l'enrichissement de l'univers en éléments lourds. Une perte de masse extrême avant une explosion peut affecter la masse finale et le type du reste stellaire.

Les recherches futures se concentreront sur la recherche d'objets similaires afin de confirmer le caractère unique de SN2021yfj ou de découvrir qu'il s'agit d'une nouvelle classe de supernovae. Le développement de télescopes et de techniques d'observation plus avancés, ainsi que de modèles informatiques plus sophistiqués, sera essentiel pour élucider ces mystères cosmiques. Chaque nouvelle supernova découverte, comme SN2021yfj, nous rapproche de la compréhension des événements les plus spectaculaires de l'univers et de l'évolution même des étoiles qui sont les éléments constitutifs de notre foyer cosmique.

L'étude a été soutenue par la National Science Foundation, et le soutien de CIERA a permis l'accès aux données du télescope ZTF.

Source : Northwestern University