Webb dévoile des structures étonnantes d’éjecta et de CO dans la jeune supernova de Cassiopée A

L’Institut SETI a annoncé les dernières découvertes du télescope spatial James Webb (JWST) sur le reste de supernova, Cassiopée A (Cas A). Ces observations de la plus jeune supernova connue par effondrement de cœur dans la Voie lactée donnent un aperçu des conditions qui conduisent à la formation et à la destruction des molécules et de la poussière dans les éjections de supernova.

Les résultats de l’étude modifient notre compréhension de la formation de poussière dans l’univers primitif dans les galaxies détectées par le JWST 300 millions d’années après le Big Bang. Les chercheurs considèrent les supernovae, telles que celles qui ont formé Cas A, comme des sources vitales de la poussière observée dans les galaxies lointaines à fort décalage vers le rouge. Ces nouvelles connaissances remettent en question les croyances selon lesquelles la poussière provenait principalement d’étoiles de masse intermédiaire de la branche des géantes asymptotiques (AGB) dans les galaxies actuelles.

« Il est remarquable de constater à quel point l’émission de monoxyde de carbone détectée par l’imagerie et la spectroscopie NIR du JWST est brillante, montrant quelques dizaines de motifs sinusoïdaux de lignes rovibrationnelles fondamentales du CO », a déclaré le Dr Jeohghee Rho, chercheur scientifique à l’Institut SETI qui a dirigé cette recherche. « Les motifs semblent avoir été générés artificiellement. »

Les principales conclusions sont les suivantes :

1. Formation moléculaire de CO : les données montrent que les couches externes contiennent plus de gaz CO que de gaz argon, ce qui signifie que les molécules de CO se reforment après le choc inverse. Ces données sont importantes pour comprendre comment se produisent le refroidissement et la formation de poussière après une explosion de supernova. Les images indiquent que les molécules de CO se reforment derrière le choc et peuvent avoir protégé la poussière dans les éjectas.
2. Spectroscopie détaillée : les spectres NIRSpec-IFU de deux zones importantes de Cas A montrent des différences dans la manière dont les éléments se sont formés. Les deux régions ont de forts signaux de gaz CO et montrent divers éléments ionisés comme l’argon, le silicium, le calcium et le magnésium. Les lignes fondamentales du CO sont quelques dizaines de motifs sinusoïdaux de lignes rovibrationnelles fondamentales du CO avec un continuum en dessous en raison de la vitesse élevée des molécules de CO.
3. Informations sur la température : la recherche montre que la température est d’environ 1080 K, en se basant sur les émissions de gaz CO. Cela nous aide à comprendre comment la poussière, les molécules et le gaz hautement ionisé interagissent dans les supernovae. Cependant, les auteurs trouvent également des lignes vibrationnelles dans les lignes à rotation élevée (J=90), dont les caractéristiques apparaissent entre 4,3 et 4,4 microns. Ces lignes indiquent la présence d’une composante de température plus chaude (4800 K), impliquant la formation et la reformation de CO en même temps. Le CO provenant de niveaux de rotation aussi élevés est observé pour la première fois dans Cas A avec la nouvelle spectroscopie JWST.
4. Les supernovae telles que Cas A, située à 11 000 années-lumière, sont des explosions qui se produisent lorsqu’une étoile de grande masse arrive à la fin de sa vie il y a environ 350 ans. Appelée supernova à effondrement de noyau, l’intérieur de l’étoile s’effondre vers l’intérieur sous l’effet de la gravité une fois que le combustible nucléaire qui alimentait l’étoile est épuisé. Le rebond de cet effondrement propulse la coque externe de l’étoile dans l’espace dans une explosion qui peut éclipser une galaxie entière.

« Voir du CO aussi chaud dans un jeune vestige de supernova est vraiment remarquable et indique que la formation de CO se produit encore des milliers d’années après l’explosion », a déclaré Chris Ashall, professeur adjoint à Virginia Tech.

« La combinaison de ces ensembles de données impressionnants avec les observations antérieures de supernovae du JWST nous permettra de comprendre le cheminement vers la formation des molécules et de la poussière d’une manière qui n’était pas possible auparavant. »

Des images et une spectroscopie révolutionnaires

Les observations ont été réalisées à l’aide de l’instrument de caméra proche infrarouge (NIRCam) et de l’instrument infrarouge moyen (MIRI) du JWST, ainsi que d’une spectroscopie détaillée NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph)-Integral Field Units (IFU). L’équipe a cartographié les structures complexes du rayonnement synchrotron (lumière émise lorsque des particules chargées, comme des électrons, sont accélérées à grande vitesse dans des champs magnétiques puissants), des éjections riches en argon et des molécules de monoxyde de carbone (CO) dans Cas A. Les images montrent des motifs très détaillés et complexes de coquilles, de trous et de filaments, soulignant la puissance du JWST.

Seong Hyun Park, étudiant diplômé de l’Université nationale de Séoul en Corée du Sud, a réalisé la modélisation des propriétés du CO en collaboration avec Rho.

Les nouvelles observations mettent en évidence les processus complexes et concurrents de formation et de destruction moléculaires des restes de supernovae. Bien qu’elles ne conduisent pas directement à la formation de poussière, les molécules de CO sont des indicateurs essentiels des processus de refroidissement et des processus chimiques qui conduisent finalement à la condensation de la poussière.

Bien que cette étude offre de nouvelles perspectives, le débat se poursuit quant à la mesure dans laquelle les supernovae contribuent à la formation de poussière dans l’univers primitif. Les chercheurs continueront d’explorer ces phénomènes avec de futures observations et recherches pour percer les mystères de la poussière cosmique et de la formation moléculaire.

Les résultats sont publiés cette semaine dans Lettres du journal astrophysique.