Des jets inégaux ont donné une poussée à l'étoile à neutrons de Cassiopée A
Contexte
Cassiopée A est l'un des rémanents de supernova les plus proches et les plus brillants : il n'a que 340 ans environ. Grâce à cette proximité et à sa jeunesse, il conserve des structures d'éjection à grande échelle qui n'ont pas encore été déformées. On y avait déjà repéré une morphologie à symétrie ponctuelle : sept paires de structures opposées, ce qui indique plusieurs paires de jets lors de l'explosion. Le nouveau travail ajoute un axe de symétrie supplémentaire, qui relie les deux anneaux, et le rattache au mouvement de l'étoile à neutrons. Cassiopée A rejoint ainsi la série de rémanents où le mécanisme des « jets vacillants » explique à la fois la forme et la poussée du reste compact.
Méthodes
Les auteurs ont analysé des images de Cassiopée A prises par le JWST (domaine infrarouge) et par Chandra (domaine des rayons X), puis les ont superposées en une seule image. Sur ces images, ils ont isolé l'anneau nord « Couronne » et l'anneau sud, plus petit, et ont mesuré leurs axes ainsi que leur position par rapport au centre de l'explosion. Ils ont ensuite réalisé une modélisation hydrodynamique tridimensionnelle sur grille adaptative, avec une résolution allant jusqu'à 35 km : d'abord l'étoile explose de façon sphérique, puis, 4 secondes plus tard, une paire de jets coniques opposés de puissance différente est lancée. Le jet nord avait une énergie de 3.6×10^50 erg et un angle d'ouverture de 20°, le jet sud, de 9×10^48 erg et 5°. Ils ont comparé la forme et les dimensions des anneaux du modèle aux observations.
Résultats
La modélisation a reproduit une paire d'anneaux de tailles différentes : un grand au nord et un petit au sud, comme dans Cassiopée A. Le rapport entre grand axe et petit axe vaut 1.75 pour les deux anneaux, ce qui correspond à une inclinaison de l'axe des jets de 55° par rapport à la ligne de visée. La ligne qui relie les centres des anneaux passe par le centre de symétrie ponctuelle du rémanent déjà identifié. La différence d'impulsion des jets (588 masses solaires × km/s) confère à une étoile à neutrons de 1.4 masse solaire une vitesse d'environ 420 km/s, proche de l'estimation observée de 350–400 km/s. Dans le modèle, les anneaux présentent une instabilité de Rayleigh–Taylor, qui engendre des éjections en forme de doigts, semblables à la « Couronne » observée.
Implications
Ce travail ajoute un axe de symétrie supplémentaire aux dix déjà connus dans Cassiopée A, ce qui renforce l'argument en faveur du mécanisme des « jets vacillants » pour ce rémanent. Contrairement aux études voisines, qui expliquaient la « Couronne » par des bulles de nickel remontant à la surface, les anneaux sont ici considérés comme les traces de l'interaction des jets avec l'éjection. C'est la première étude qui relie une paire d'anneaux précise à la poussée de l'étoile à neutrons par le mécanisme kick-BEAP. Le résultat montre que l'asymétrie des jets pourrait être une source générale de poussées pour les étoiles à neutrons.
Développements futurs
Le sujet pourrait évoluer vers une modélisation plus fine, avec plusieurs paires de jets et une enveloppe hétérogène, afin de reproduire les doigts délicats de la « Couronne ». Il serait également prometteur d'appliquer le mécanisme kick-BEAP à d'autres rémanents de supernova dont la poussée et les structures annulaires sont connues. De nouvelles observations à haute résolution angulaire, par exemple avec XRISM, aideront à préciser les vitesses et la composition de l'éjection dans les anneaux.
Impact
Le résultat influencera la compréhension des mécanismes d'explosion des supernovas à effondrement du cœur et les modèles de formation des étoiles à neutrons à grande vitesse. Il fournira aussi un nouvel outil pour interpréter la morphologie des rémanents de supernova dans d'autres galaxies.
Prochaines étapes
L'étape suivante consiste à modéliser plusieurs paires de jets, afin de vérifier si la structure annulaire subsiste dans un tableau d'explosion plus complexe. Il faudrait aussi comparer les prédictions du modèle aux cartes détaillées des vitesses d'éjection obtenues par spectroscopie.
Problèmes ouverts clés
Ce travail touche directement au problème non résolu du mécanisme d'explosion des supernovas à effondrement du cœur : le mécanisme neutrino n'explique pas la symétrie ponctuelle des rémanents, alors que le mécanisme des « jets vacillants » y parvient naturellement. Autre question ouverte : l'origine des poussées des étoiles à neutrons, qui dépassent souvent 100 km/s ; un mécanisme concret, doté de signatures morphologiques vérifiables, est ici proposé.
La vitesse de l'étoile à neutrons dans Cassiopée A est d'environ 400 km/s. En une seconde, elle parcourt la distance de Paris à Lyon.
Chiffres clés
- vitesse de poussée de l'étoile à neutrons: 350–400 km/s
- rapport des énergies des jets nord et sud: 40
- angle d'inclinaison de l'axe des jets par rapport à la ligne de visée: 55°
- énergie du jet nord: 3.6×1050 erg
- âge du rémanent: 340 ans