La découverte de l'énergie noire, une force mystérieuse qui accélère l'expansion de l'univers, était basée sur des observations de supernovae de type 1a, et ces explosions stellaires ont longtemps été utilisées comme «bougies standard» pour mesurer l'expansion. Une nouvelle étude révèle des sources de variabilité dans ces supernovae, et pour sonder avec précision la nature de l'énergie sombre et déterminer si elle est constante ou variable dans le temps, les scientifiques devront trouver un moyen de mesurer les distances cosmiques avec une précision beaucoup plus grande que dans le passé.
"Alors que nous commençons la prochaine génération d'expériences de cosmologie, nous voudrons utiliser les supernovae de type 1a comme mesures très sensibles de la distance", a déclaré l'auteur principal Daniel Kasen, d'une étude publiée dans Nature cette semaine. «Nous savons qu'ils ne sont pas tous de la même luminosité, et nous avons des moyens de corriger cela, mais nous devons savoir s'il existe des différences systématiques qui pourraient biaiser les mesures de distance. Cette étude a donc exploré les causes de ces différences de luminosité. »
Kasen et ses coauteurs - Fritz Röpke de l'Institut Max Planck d'astrophysique à Garching, en Allemagne, et Stan Woosley, professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'UC Santa Cruz - ont utilisé des superordinateurs pour exécuter des dizaines de simulations de supernovae de type 1a. Les résultats indiquent qu'une grande partie de la diversité observée dans ces supernovae est due à la nature chaotique des processus impliqués et à l'asymétrie résultante des explosions.
Pour la plupart, cette variabilité ne produirait pas d'erreurs systématiques dans les études de mesure tant que les chercheurs utilisent un grand nombre d'observations et appliquent les corrections standard, a déclaré Kasen. L'étude a trouvé un effet faible mais potentiellement inquiétant qui pourrait résulter de différences systématiques dans la composition chimique des étoiles à différents moments de l'histoire de l'univers. Mais les chercheurs peuvent utiliser les modèles informatiques pour caractériser davantage cet effet et y apporter des corrections.
Une supernova de type 1a se produit lorsqu'une étoile naine blanche acquiert une masse supplémentaire en siphonnant la matière loin d'une étoile compagne. Lorsqu'elle atteint une masse critique - 1,4 fois la masse du Soleil, emballée dans un objet de la taille de la Terre - la chaleur et la pression au centre de l'étoile déclenchent une réaction de fusion nucléaire incontrôlée, et la naine blanche explose. Comme les conditions initiales sont à peu près les mêmes dans tous les cas, ces supernovae ont tendance à avoir la même luminosité et leurs «courbes de lumière» (comment la luminosité change avec le temps) sont prévisibles.
Certains sont intrinsèquement plus lumineux que d'autres, mais ceux-ci s'évasent et s'estompent plus lentement, et cette corrélation entre la luminosité et la largeur de la courbe de lumière permet aux astronomes d'appliquer une correction pour normaliser leurs observations. Ainsi, les astronomes peuvent mesurer la courbe de lumière d'une supernova de type 1a, calculer sa luminosité intrinsèque, puis déterminer à quelle distance elle est, car la luminosité apparente diminue avec la distance (tout comme une bougie apparaît plus sombre à une distance qu'elle ne se rapproche) .
Les modèles informatiques utilisés pour simuler ces supernovae dans la nouvelle étude sont basés sur la compréhension théorique actuelle de comment et où le processus d'allumage commence à l'intérieur de la naine blanche et où il passe de la combustion à combustion lente à la détonation explosive.
Les simulations ont montré que l'asymétrie des explosions est un facteur clé déterminant la luminosité des supernovae de type 1a. "La raison pour laquelle ces supernovae ne sont pas toutes de la même luminosité est étroitement liée à cette rupture de symétrie sphérique", a déclaré Kasen.
La source dominante de variabilité est la synthèse de nouveaux éléments lors des explosions, sensible aux différences de géométrie des premières étincelles qui enflamment un emballement thermonucléaire dans le cœur frémissant de la naine blanche. Le nickel 56 est particulièrement important, car la désintégration radioactive de cet isotope instable crée la rémanence que les astronomes peuvent observer pendant des mois, voire des années après l'explosion.
«La désintégration du nickel-56 est ce qui alimente la courbe de lumière. L'explosion est terminée en quelques secondes, donc ce que nous voyons est le résultat de la façon dont le nickel chauffe les débris et comment les débris rayonnent la lumière », a déclaré Kasen.
Kasen a développé le code informatique pour simuler ce processus de transfert radiatif, en utilisant la sortie des explosions simulées pour produire des visualisations qui peuvent être comparées directement aux observations astronomiques des supernovae.
La bonne nouvelle est que la variabilité observée dans les modèles informatiques correspond aux observations des supernovae de type 1a. «Plus important encore, la largeur et la luminosité maximale de la courbe de lumière sont corrélées d'une manière qui correspond à ce que les observateurs ont trouvé. Les modèles sont donc cohérents avec les observations sur lesquelles la découverte de l'énergie noire était basée », a déclaré Woosley.
Une autre source de variabilité est que ces explosions asymétriques sont différentes lorsqu'elles sont vues sous différents angles. Cela peut expliquer des différences de luminosité pouvant atteindre 20%, a déclaré Kasen, mais l'effet est aléatoire et crée une dispersion des mesures qui peut être statistiquement réduite en observant un grand nombre de supernovae.
Le potentiel de biais systématique provient principalement de la variation de la composition chimique initiale de l'étoile naine blanche. Des éléments plus lourds sont synthétisés lors des explosions de supernovae, et les débris de ces explosions sont incorporés dans de nouvelles étoiles. En conséquence, les étoiles formées récemment contiennent probablement des éléments plus lourds («métallicité» plus élevée dans la terminologie des astronomes) que les étoiles formées dans un passé lointain.
"C'est le genre de chose que nous prévoyons d'évoluer au fil du temps, donc si vous regardez des étoiles lointaines correspondant à des périodes beaucoup plus anciennes de l'histoire de l'univers, elles auraient tendance à avoir une métallicité plus faible", a déclaré Kasen. "Lorsque nous avons calculé l'effet de cela dans nos modèles, nous avons constaté que les erreurs résultantes dans les mesures de distance seraient de l'ordre de 2% ou moins."
D'autres études utilisant des simulations informatiques permettront aux chercheurs de caractériser plus en détail les effets de ces variations et de limiter leur impact sur les futures expériences sur l'énergie sombre, ce qui pourrait nécessiter un niveau de précision qui rendrait des erreurs de 2% inacceptables.
Source: EurekAlert
