vendredi 2 octobre 2015

Un déclenchement de supernova par la matière noire ?

Une récente étude (1) a montré que près de la moitié des supernovas de type Ia explosent alors que la masse de l’étoile naine blanche à leur origine n’atteint pas la masse limite déclenchant en théorie l’explosion.  Pour tenter d’expliquer cette étonnante population de supernovas, une théorie impliquant de la matière noire à vue le jour, montrant que celle-ci pourrait servir de déclencheur explosif…



La masse limite au-delà de laquelle théoriquement une naine blanche ne peut pas survivre et où doit se produire une explosion thermonucléaire, faisant entièrement disparaître l’étoile est la masse de Chandrasekhar et elle vaut 1,44 masses solaires. Tant qu’une naine blanche n’atteint pas cette masse au cours de son accrétion de matière provenant d’une étoile compagne, elle ne devrait avoir aucune raison d’exploser. Mais une anomalie forte semble exister d’après une étude parue en 2014 (1), dans laquelle des astrophysiciens ont étudié un panel de supernovas proches et montrent qu’entre 25 et 50% d’entre elles n’avaient pas la masse de Chandrasekhar lorsqu’elles ont explosé. Parmi celles-ci, seulement 1% montraient une masse légèrement supérieure à 1,44 masses solaires, les autres  avaient une masse comprise entre 1,1 et 1,4 masses solaires. 
Les ejecta de l’explosion de la supernova de Tycho (une SN Ia, observée en 1572 par le Danois Tycho Brahe) s’étendent depuis 440 ans pour former cette belle bulle de gaz de 55 années-lumières de diamètre. Sur cette image composite sont visualisés d’une part des rayons X de faible énergie en rouge (correspondant aux débris en expansion) et d’autre part des rayons X de haute énergie en bleu qui montrent l’onde de choc, une coquille d’électrons ultra énergétiques.
Credit: rayons X: NASA/CXC/Rutgers/K.Eriksen et al.; Optique: DSS



Pour mesurer quelle était la masse d’une l’étoile dont l’observation de l’explosion a pu être effectuée, les astrophysiciens essayent de reconstruire les morceaux du puzzle qui peuvent encore être observés après l’explosion par des mesures d’abondance de résidus de l’étoile comme les noyaux radioactifs de 56Ni. La courbe de lumière de la supernova peut également donner des indications sur la masse de l’étoile qui a explosé.
Une nouvelle étude qui vient de paraître dans Physical Review Letters tente d’apporter une explication à ces étoiles explosées trop tôt. Le physicien américain Joseph Bramante qui signe seul ces travaux a notamment relevé un fait marquant au sujet de ces supernovas Ia précoces. Il a effectué un classement en traçant la masse des progéniteurs de SN en fonction de leur âge présumé au moment de l’explosion (évalué grâce à la mesure de l’âge des étoiles les plus voisines), et ce que l’on observe avec une très bonne confiance statistique, c’est qu’il y a une corrélation entre l’âge de l’étoile et sa masse au moment de l’explosion.  Les étoiles de masse 1,44 masses solaires explosent plus jeunes que celles qui n’ont qu’une masse de 1,1 ou 1,2 masses solaire.
Bramante part de ce constat pour imaginer l’existence d’un processus d’accumulation de matière exotique au sein des étoiles, qui au fil du temps pourrait devenir suffisamment importante pour déclencher une ignition de supernova alors que l’étoile n’avait pas encore la masse requise (nous parlons ici de la masse de matière ordinaire, celle que l’on peut mesurer).
La supernova de type Ia SN 2011fe découverte le 24 août 2011
dans la galaxie M101 de la Grande Ourse (Image B. J. Fulton,
Las Cumbres Observatory Global Telescope Network)
Bien évidemment, cette matière exotique ne serait ni plus ni moins qu’une forme de matière noire, des particules exotiques, et pour le coup, dans la théorie de Bramante, très exotiques. Il s’agirait dans ce modèle, de matière noire dite asymétrique, formée de particules très massives, ayant une masse de l’ordre du PeV (pétaélectronvolt), soit 1 million de fois plus massives qu’un proton ou un neutron.
Par leur interaction gravitationnelle elles s’accumuleraient dans le cœur des étoiles naines blanches jusqu’à une densité telle qu’elles pourraient induire un puits de potentiel gravitationnel suffisant pour provoquer un effondrement du cœur puis l’onde de choc caractéristique de ce type de supernova, l’échauffement extrême qui s’en suit, puis la dislocation/dispersion de la matière de l’étoile.

Outre le fait que ce type de matière pourrait être cohérent avec le modèle standard actuel de la cosmologie en fournissant une densité d’énergie de la matière noire conforme aux diverses observations, son processus d’accumulation au sein des étoiles qui est envisagé par Joseph Bramante  offre en outre un élément supplémentaire très intéressant puisqu’il permettrait d’expliquer un autre petit mystère, très différent de celui des SN précoces. 
Il a été observé depuis de nombreuses années que le centre galactique ne comporte pas autant de pulsars que ce que l’on devrait attendre. Mais comme la densité de matière noire asymétrique devrait être plus importante au centre de la galaxie, cette dernière pourrait alors s’accumuler plus rapidement au cœur des étoiles à neutrons (pulsars). L’auteur calcule que des particules de 1 PeV peuvent tout simplement détruire un pulsar en le transformant non pas en supernova mais en trou noir en l’espace de 100 millions d’années, expliquant ainsi la faible population observée. On ne verrait plus de pulsars car ils seraient devenus des trous noirs.

Dans le centre galactique, avec une densité de matière noire plus importante et avec le processus envisagé, cette matière noire devrait également produire l’explosion de supernovas Ia encore moins massives, et aussi plus jeunes que ce qui a été entrevu dans des zones externes de galaxies. Ces différents effets devraient pouvoir être observables, si tant est que l’on trouve suffisamment de supernovas Ia au centre de galaxies, ce qui n’est pas une mince affaire…


Sources : 

(1) R. A. Scalzo, A. J. Ruiter, and S. A. Sim, 
The ejected mass distribution of type Ia supernovae: A significant rate of non Chandrasekhar-mass progenitors, 
Mon. Not. R. Astron. Soc. 445, 2535 (2014).

(2) Dark Matter Ignition of Type Ia Supernovae
Joseph Bramante
Phys. Rev. Lett. 115, 141301 – (29 September 2015)

7 commentaires :

Stéphane Le Corre a dit…

Bonjour, je me permets un commentaire qualitatif pour mettre en perspective la solution que j'ai proposée afin d'expliquer la matière noire (pour ceux qui ont pu s'intéresser à mes articles dont on a parlé dans ce blog).
L'article révèle que plus la masse est importante plus l'explosion semble précoce. Cela est en accord avec la solution de la matière noire comme champ gravitique.
Cette composante dépend de la masse et de la vitesse. Autrement dit plus un objet est massif plus il a une composante gravitique importante. Donc plus il a de la "matière noire".
De même plus un objet à une vitesse de rotation importante plus il doit avoir de la "matière noire". Sachant, comme j'ai déjà pu l'écrire dans ce blog, que le centre des amas (qui serait la principale source de champ gravitique) devrait être gavé de "matière noire" la disparition des pulsars au centre des amas est elle aussi en accord avec la solution que je propose.
En conclusion, pourquoi pas "Un déclenchement de supernova par le champ gravitique ?"...

Dr Eric SIMON a dit…

Objections Stéphane !

Ce n'est pas "plus la masse est importante plus l'explosion est précoce", mais plus la masse est faible plus l'explosion est tardive. Les naines blanches qui font 1,44 M0 explosent de toute façon et ne peuvent pas dépasser cette limite. Mais celles qui font moins et qui explosent quand même le font plus tard, le temps apparemment d'accumuler du potentiel gravitationnel.
Et le manque de pulsars ne concerne pas le centre des amas de galaxies, mais le centre des galaxies.
Le champ gravitique que vous avez proposé, tel que je l'ai compris, agit à grande échelle sur la dynamique des grandes structures, mais comment l'imaginer avoir un effet sur une dimension d'un coeur d'étoile à neutrons (quelques kilomètres de diamètre à peine) qui produirait son collapse ?

Stéphane Le Corre a dit…

Bonjour Eric,
Oui vous avez raison je me suis trompé en parlant du centre des amas. Cela concernerait plutôt les UDG.
Mais mon explication implique nécessairement un champ gravitique plus important en fonction de la masse et de la vitesse et donc aussi au centre des galaxies (par contre je montre dans mon article que ce champ au centre de la galaxie ne peut pas expliquer la matière noire en périphérie de la galaxie, ce qui ne signifie pas qu'il soit négligeable au centre, loin de là!).
Je ne comprends pas votre objection sur "plus la masse est importante plus l'explosion est précoce". Si vous préférez je peux effectivement dire plus la masse est faible, plus l'apport du champ gravitique est faible (entrainant une correction négligeable de la masse visible) et donc plus l'explosion se fera au moment prévu par la masse visible.
Mais si la masse est plus importante l'apport du champ gravitique est plus grand et du coup l'étoile atteint plus vite (plus jeune) une quantité d'énergie (de matière noire) suffisante pour exploser.
L'article imagine "l’existence d’un processus d’accumulation de matière exotique au sein des étoiles [...] suffisamment importante pour déclencher une ignition de supernova alors que l’étoile n’avait pas encore la masse requise".
C'est ce que fait le terme gravitique (il s'ajoute au champ de gravité en proportion de sa masse)! Ainsi donc l'expression du champ gravitique pourrait qualitativement être ce processus d'accumulation!
Sinon, vous relevez le fait que mon explication agit à grande échelle. C'est en partie vrai mais simplement car je me suis attelé à tester cette solution sur les quantités de matière noire à partir de l'échelle des galaxies là où elle est avérée.
Mais je n'ai pas traité les cas des objets à plus petites échelles ayant soit des vitesses très rapides (comme les pulsars ou les étoiles binaires) ou très massifs (comme les trous noirs).
Et pour ces objets extrêmes je ne suis pas sûr du tout que le champ gravitique soit à négliger! Mais il faudrait en faire l'étude! C'est la raison pour laquelle j'utilise dans mon commentaire le terme "qualitativement".

Dr Eric SIMON a dit…

Non désolé Stéphane, vous faites erreur ici. Plus la masse (visible) est faible, plus l'explosion aura lieu tardivement. Si la masse est inférieure à 1,44 M0, l'explosion ne devrait jamais avoir lieu (selon le modèle des naines blanches en vigueur). Si elle a lieu, cela voudrait dire qu'une quantité de potentiel gravitationnel a été ajouté dans le coeur de l'étoile. Et cet ajout semble être croissant en fonction du temps : les étoiles de faible masse (visible) au départ sont celles qui mettent le plus de temps pour exploser car elles auraient le plus besoin d'ajout de potentiel gravitationnel. Je ne vois pas comment un effet gravitomagnétique expliquerait un phénomène d'accumulation de potentiel gravitationnel dans le temps. D'autre part, on ne parlerait pas ici d'un champ gravitique externe (celui de la galaxie ou de l'amas), mais de celui produit intrinsèquement par la naine blanche et agissant sur elle-même. Si l'intensité de ce champ intrinsèque produisait un "ajout virtuel" de masse de 10%, l'effet aurait été observé depuis longtemps sur les couples de naines blanches, les pulsars ou les trous noirs. De manière annexe, cela voudrait dire par exemple que toutes les supernovas qui pètent bien à 1,44 M0 seraient issues d'étoiles dépourvues de champ gravitique intrinsèque... ou, dit autrement, que si l'effet était significatif au niveau des étoiles, les SN Ia ne devraient jamais exploser à 1,44 M0, mais toujours plus bas, ce qui n'est pas observé (au moins pour la bonne moitié d'entre elles).
Petite remarque : les trous noirs stellaires ne sont pas très massifs, seulement quelques masses solaires.

Stéphane Le Corre a dit…

Bonjour Eric,
Je comprends mal votre objection. Peut-être que je comprend mal, mais je tente quand même une dernière clarification. Je ne dis pas que les limites d'explosion des supernovæ changent en termes d'énergie (au contraire!).
Ce que ma solution entraine c'est une distribution différente de cette énergie. C'est à dire que toute l'énergie ne se reporte pas seulement sur le terme de gravité.
Si l'on ajoute une composante gravitique, le seuil énergétique (qui est le même) est atteint pour une composante de gravité plus faible (donnant l'impression d'une masse pas encore suffisante pour exploser à ce moment).
Pour faire trop simple (ce raisonnement n'est pas à prendre au pied de la lettre!): Soit la densité de masse critique M nécessaire pour atteindre la limite "énergétique" L d'explosion.
Avec le terme de gravité seule, on a MG=L à l'explosion
Avec le terme gravitique, on a en fait mG+mkv=L ce qui en terme de gravité seule se mettrait sous la forme L=m(1+kv/G)G soit M=m(1+kv/G) ce qui implique m<M. Cela signifie que pour atteindre l'explosion, la masse visible dans le cadre de la théorie avec champ gravitique (m) est plus petite que sans champ gravitique.
Donc avec un champ gravitique, la limite d'explosion est abaissée.
Les étoiles de masse visible 1.44 explosent toujours mais possède en fait plus d'énergie que prévu (due au terme gravitique), elle suivent donc une trajectoire d'étoile plus massive et explosent donc plus précocement que prévu.
Et des étoiles de masse un peu plus faible peuvent exploser car elles ont plus d'énergie que ce que l'on croit.
De plus elles explosent plus tardivement car l'ajout d'énergie gravitique est fonction croissante de la masse, c'est à dire que sa dynamique s'accélère avec sa masse et donc que l'explosion intervient plus tôt lorsqu'il y a plus de masse.
Ou comme vous le dites l'explosion intervient plus tardivement avec moins de masse visible. D'ailleurs, dans mon article, en discussion, je précisais que globalement, le terme gravitique en devenant de plus en plus important doit rendre plus précoces les phénomènes gravitationnels.
Non, encore une fois je ne comprends pas votre objection, du moins en terme logique car cela est tout à fait cohérent avec ce que vous décrivez.
Par contre en terme quantitatif, j'aurais tendance à vous suivre. Je pense qu'on se serait aperçu de l'abaissement systématique de la masse.
Pour que cette explication fonctionne, il faudrait donc corréler ces explosions précoces et ces explosions d'étoiles pas assez massives avec la présence d'un champ gravitique externe...
Mais, prétendre que des particules de matière noire s'accumulent me semble tout aussi hypothétique, les particules de matière noire sont encore à ce jour des chimères de la science!

Dr Eric SIMON a dit…

Votre phrase suivante est fausse : "Les étoiles de masse visible 1.44 explosent toujours mais possède en fait plus d'énergie que prévu (due au terme gravitique), elle suivent donc une trajectoire d'étoile plus massive et explosent donc plus précocement que prévu."

La valeur de 1,44 masses solaires qui a été calculée par Chandrasekhar dans les années 30 vient d'un calcul de la stabilité de la matière (lié à pression de dégénérescence des électrons). Aucune naine blanche ne peut dépasser cette limite sans exploser d'après le calcul quantique de Chandrasekhar, et c'est ce qui est observé (le 1% de cas que je cite où la masse mesurée est supérieure est dû probablement à de la matière additionnelle de l'étoile compagne)
Les étoiles de masse 1,44 M0 ne possèdent pas "plus d'énergie que prévu", sinon elles auraient explosé avant d'atteindre 1,44 M0. L'explosion a lieu quand on atteint 1,44 ou l'équivalent de 1,44 M0. Si on mesure 1,44 masses solaires dans le résidu (de la vraie masse faite de protons, neutrons, électrons, neutrinos), cela signifie qu'il n'y avait pas d'énergie en plus dans l'étoile, donc pas de terme gravitique).

Pascal a dit…

Bonjour Eric et Stéphane,
Dans la discussion précédente, les arguments d'Eric me paraissent pertinents, mais il me semble que Stéphane ne parle pas du seul élément qui pourrait sauver sa solution : les vitesses ; le terme gravitique étant en mkv/G, pour une même M=1.44, m est d'autant plus petite que v est grand ; les NB génitrices des SN à faibles m auraient donc des vitesses élevées (de rotation ou/et de révolution- binaires serrées), à voir ; il resterait encore à relier ces données dynamiques au taux d'accrétion pour expliquer pourquoi elles sont plus tardives ; il faudrait que ce taux soit en 1/v...ce qui n'a rien d'évident!