dimanche 3 juin 2012

Les Mystères de l'Astronomie (4/8) : Comment explosent les Etoiles ?

La revue Science en fait sa couverture cette semaine : les Mystères de l'Astronomie... Les rédacteurs de la célèbre revue américaine ont sélectionné, sur l'avis de nombreux spécialistes, 8 mystères astrophysiques, qui sont aujourd'hui incompris et qui devraient pouvoir être élucidés par l'observation, à moins qu'ils ne le soient jamais. Ils restent autant de questions très intrigantes... Nous allons passer en revue un à un ces grand mystères d'aujourd'hui.

4/8 : Comment explosent les Etoiles ?

De nombreuses étoiles, après avoir brillé des millions ou des milliards d'années meurent dans une furie de rayonnements. Elles explosent dans une gigantesque boule de feu appelée Supernova, produisant alors une luminosité équivalente à des milliers de soleils.
La façon dont ces étoiles explosent est un sujet d'étude depuis des décennies. Ces dernières années, les avancées informatiques ont permis aux astronomes de simuler les conditions internes des étoiles avec toujours plus de raffinements, leur permettant d'un peu mieux comprendre la mécanique des explosions d'étoiles. Cependant, de nombreux détails sur ce qui se passe exactement à l'intérieur de l'étoile menant à son explosion restent encore mystérieux.

Image composite des résidus de l'explosion SN 1987A (X/visible) (NASA)
Toutes les étoiles sont alimentées par le même processus physique de fusion de l'hydrogène en hélium, puis de la fusion progressive de ces éléments légers en éléments plus lourds comme le carbone, l'oxygène et jusqu'au fer. Ce qui se passe quand l'étoile a consommé tout son carburant dépend très fortement de sa masse et d'autres facteurs. C'est ce qui implique l'existence de différents types de supernovæ.
Les supernovæ de type II apparaissent avec des étoiles qui font au moins 8 fois la masse du soleil. Après qu'une telle étoile a brûlé tout le carburant dans son cœur devenu un cœur de fer, elle cesse d'émettre du rayonnement. Ce cœur ne peut alors plus contrebalancer la gravitation par une pression de radiation. La matière du cœur s'effondre sur elle-même et sous le poids des couches plus externes. Le cœur se retrouve sous forme d'une boule de neutrons et une énorme onde de choc vers l'extérieur propulse les couches externes de l'étoile à très longue distance. Il ne reste plus qu'une étoile à neutrons.

On pourrait penser que plus l'étoile initiale est grosse plus la supernova est puissante. Et bien pas du tout! Les étoiles qui ont une masse de 20 ou 25 fois celle du soleil ne produisent pas de supernovæ de type II.
Ces étoiles plus massives possèdent une couche dense d'oxygène et de silicium juste au dessus de leur cœur de fer, qui est lui-même bien plus gros. Lorsque l'effondrement du cœur débute, les couches denses superficielles tombent dessus au lieu d'être expulsées, et il s'ensuit la formation quasi immédiate d'un trou noir...

Une autre catégorie d'explosions très étudiée est la supernova de type Ia, celles-là même qui ont permis au cosmologistes de déduire l'existence d'une expansion accélérée. Les astrophysiciens pensent que ce phénomène apparaît dans des systèmes binaires impliquant au moins une naine blanche. Dans le scénario classique, la naine blanche accrète du gaz de sa compagne jusqu'à atteindre la masse fatidique de 1,38 masses solaires. Et là elle s'effondre.

Vue d'artiste d'un système binaire pré explosif.
Mais des questions restent en suspend concernant ce scénario. Les astronomes ne savent pas exactement quelle masse devrait avoir l'étoile compagnon pour que cela puisse arriver. Ils voudraient également comprendre plus en détail la mécanique de l'explosion, comme par exemple combien il faut de temps à la naine blanche pour dépouiller sa compagne avant de finir sa vie en beauté... On ne sait pas non plus exactement la séquence qui se déroule dans les tous derniers instants.
Afin d'en savoir plus, des équipes de chercheurs étudient les signatures "post explosion", qui sont les seules accessibles, l'explosion en tant que telle durant si peu de temps, on ne peut accéder qu'aux instants d'après. Et ils essayent alors de comparer les observations aux modèles théoriques qui sont construits, comme par exemple sur la composition des débris, leur vitesse d'expulsion, et comment la lumière y est produite.

Les astronomes parviennent à obtenir encore plus d'informations en regardant les bouffées de rayons gamma (GRB, Gamma Ray Bursts), qui sont ces flashes intenses et très brefs de rayons gamma émis par ces étoiles mourantes. Par exemple, un GRB qui dure plus de 2 secondes est estimé être émis par une étoile massive à rotation rapide au moment où elle s'effondre pour former un trou noir. Un disque tourbillonnant de matière stellaire se forme autour du trou noir, et lorsque cette matière est accélérée, deux jets de rayons gamma sont produits perpendiculairement au plan du disque d'accretion.

L'utilisation du satellite Swift a récemment permis d'observer des supernovæ dans des instants très proches de l'explosion. Mais même si ces observations permettent de confirmer fermement le lien existant entre GRB et explosions, en revanche, les astrophysiciens ne savent toujours pas précisément comment ces supernovæ se façonnent et explosent. 

Pour certains, la formation du trou noir, suivi du développement du disque d'accretion à l'origine de l'émission des flashes gamma apparaît être un chemin évolutif capable de mener à des supernovæ très puissantes. Pour d'autres, la rotation rapide du disque pourrait jouer un rôle très important dans le développement de l'explosion elle-même...

Source :
science, vol 336 (1 June 2012)

3 commentaires :

christophe nicolas a dit…

Bonjour,

très bien fait votre site. Etes vous un passionné d'astronomie ou est-ce votre métier?
christophe nicolas
tobal1811@gmail.com

Dr Eric SIMON a dit…

Merci !
Passionné depuis longtemps, c'est vrai, je ne suis pas astrophysicien, même si je suis docteur en physique des particules et que ma thèse concernait la recherche de matière noire.
Je suis aujourd'hui physicien tout court ;-) (ingénieur-chercheur).

christophe nicolas a dit…

Bonjour,
Sans indiscrétion, vous travaillez dans quel laboratoire ? J'ai moi même fait une thèse en matériaux après des études de phyique et j'aurai besoin de quelques "tuyaux" en astronomie et physique des particules pour vérifier quelques points sur un projet scientifique parce que ce n'est pas trop mon domaine.