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La diversité des étoiles L'histoire de Sanduleak, SN1987A (II) 8°. Réalimentation de l'onde de choc par les neutrinos Au cours de cette réaction explosive, l'onde de choc rencontra le fer qui était en train de s'effonder sur le noyau interne. Les très hautes températures qui résultèrent de cette collision accentuèrent la photodésintégration du fer et produisit une baisse drastique du rendement de l'explosion, épuisant littéralement l'énergie de l'onde de choc émise par le noyau. Heureusement pourrait-on dire, pendant ce temps les neutrinos s'extirpèrent lentement hors du noyau interne et se concentrèrent dans une zone située entre 50 et 100 km environ du centre de l'étoile appelée la neutrisphère où ils présentèrent une énergie moyenne de 5 MeV. Ils entrèrent en réaction avec les neutrons résultant de la photodésintégration des réactions suivantes : n + ne ↔ p + e- et p + anti-ne ↔ n + e+ Ces réactions des courants neutres réchauffèrent par convection cette zone de l'étoile jusqu'à 200 km environ, ce qui relança l'explosion. Notons cependant que cette relance ne marche pas à tous les coups et il y a des situations où l'explosion consécutive à l'implosion du noyau avorte ("champ de mines"). Par ailleurs, il y a des zones d'ombre, car la physique nucléaire dans ces conditions extrêmes n'est pas bien connue et ne peut pas être validée en laboratoire. Seules les supernovae peuvent nous éclairer en cette matière et on peut dire que SN1987A tomba à pic.
9°. L'émission de neutrinos Deux minutes après l'implosion du coeur, 99% de l'énergie de l'explosion se dissipa dans l'espace, essentiellement sous la forme d'un flux de neutrinos estimé à 1057 particules ! Des rayons cosmiques composés de protons et d'autres particules rapides furent également émis, formant un intense vent stellaire. Pour vous donner une idée de ce que représenta l'intensité de ce flux de neutrinos, on estima qu'à l'instant de l'explosion il fut équivalant à l'éclat de tout l'univers visible : 100 milliards de galaxies contenant chacune 100 milliards d'étoiles au moins aussi brillantes que le Soleil ! Tout l'énergie de l'univers visible réuni dans une seule étoile ! Une énergie incommensurable... Ce rayonnement fut émit en l'espace d'une seconde et arriva rapidement sur Terre où il n'interféra que très faiblement avec la matière. La plupart des neutrinos ont ainsi traversé la Terre comme une pluie fine et régulière sans être détectés. Seuls quelques dizaines d'entre entre laisseront des traces de leur passage sous forme d'anneau lumineux de Cerenkov dans des piscines spécialement aménagées pour les détecter. 10°. Production de métaux lourds La rencontre entre l'onde de choc et les couches entourant le noyau est si violente qu'en fait la pelure d'oignon créée à la fin de la vie de Sanduleak fut détruite, le plasma explosant littéralement sous le choc, dissociant les noyaux. L'énergie absorbée par cet événement aurait compromis l'explosion naissante s'il n'y avait eu l'aide des neutrinos pour relancer l'explosion. Pednant ce temps, les couches extérieures de l'étoile qui continuèrent à tomber sur le noyau rencontrèrent l'onde de choc qui remontait vers la surface. Contenant une énergie faramineuse, l'onde de choc porta les couches stellaires proches du noyau à une température de 10 milliards de degrés ! La collision fut si violente qu'elle provoqua une combustion nucléaire explosive dans l'enveloppe, synthétisant en quelques heures tous les éléments lourds y compris l'or, l'uranium et des pierres précieuses dont on retrouvera plus tard certaines éléments dans le milieu interstellaire, dans les gaz et les poussières éjectés par l'explosion. Arrêtons-nous un instant sur cet événement. C'est dans ce contexte qu'à l'image des planètes nous sommes de la "poussière d'étoiles", formés des cendres des réactions nucléaires qui ont rythmé la vie d'anciennes étoiles ayant explosées en supernovae. En effet tout le carbone de notre corps comme tous les éléments lourds existants sur Terre ont été synthétisés il y a plus de 5 milliards d'années (l'époque est inconnue mais supérieure de quelques milliards d'années à l'âge de l'accrétion du nuage protosolaire) dans le coeur d'une première étoile qui explosa et dont les ingrédients furent disséminés dans l'espace avant d'être capturés par le nuage protosolaire il y a 5 milliards d'années. Ils furent ajoutés à la recette du système solaire et servirent à fabriquer tous ses membres constitutifs ainsi que les briques ayant servi à fabriquer toute l'architecture de notre corps. Sans les supernovae nous ne serions pas là et n'y aurait pas de Terre. La fusion explosive généra encore plus de chaleur, neutronisa le fer, qui produisit d'autres éléments lourds, ce qui accéléra l'onde de choc, etc. Cette réaction en chaîne finit par atteindre les couches externes et moins denses de l'étoile. 11°. La supernova Dans les deux heures qui suivirent l'implosion du coeur, l'onde de choc se fraya ainsi un chemin vers l'extérieur et fracassa la surface de l'étoile à une vitesse de l'ordre de 30000 km/s, faisant exploser son enveloppe jusqu'à l'incandescence, portant les gaz à 200000 K. L’explosion souffla un épais nuage de gaz qui se concentra dans le plan équatorial de l’étoile. Pour une raison inconnue, ce gaz a été éjecté dans un plan légèrement différent de celui de l'anneau de gaz expulsé 20000 ans plus tôt. C'est alors que le spectre de Sanduleak accusa des raies d'hydrogène en émission, signature non équivoque que des gaz incandescants venaient d'être libérés (la spectroscopie nous apprend en effet qu'un un gaz froid présente toujours des raies d'absorption). En aucun cas nous n'aurions pu observer le fort décalage des raies d'émission vers l'ultraviolet, indiquant que la photosphère de l'étoile était en expansion et se rapprochait de nous. En effet, si cela s'observe dans le spectre des novae (mais en absorption) l'effet de souffle accompagnant l'onde de choc vaporisa la photosphère plus rapidement qu'une balle de fusil.
Après avoir dispersé des neutrinos, on estima que la supernova libéra des ondes gravitationnelles à la limite de la détection des récepteurs actuels (3 x1052 ergs). On peut espérer qu'elles seront détectées d'ici quelques années. D'étoile géante bleue, elle devint rapidement une petite étoile bleue très chaude. En raison de la décroissance radioactive des éléments lourds produits au cours de l'explosion, en l’espace de deux mois la supernova perdit deux magnitudes. Elle se refroidit graduellement et passa d'une couleur bleue vive à une coloration rouge-rubis terne. Les supernovae de Type II peuvent être deux à trois fois moins brillantes que les supernovae de Type Ia. Il y a 30000 ans, juste après avoir explosé, la supernova SN1987A émit un vent stellaire constitué d'hydrogène, d'azote, d'oxygène et de soufre. Ce rayonnement surpassa en énergie et concentration celui qu'elle avait émis jusqu'alors durant sa phase de géante bleue.
12°. L'illumination de l'anneau En 1994, le flux d'énergie libéré par SN1987A entra en collision avec des nuages de gaz et de poussières interstellaires qui s'étaient déjà échappés jusqu'à 0.68 a.l., nous laissant découvrir un fin anneau orangé autour de l'étoile. Au contact de l'onde choc le gaz fut porté un court instant à un million de degré avant que le froid de l'espace et la faible densité relative du milieu refroidissent les gaz excités. Aujourd'hui il présente encore une température comprise entre 5 et 25000 K. Situé relativement près de l'étoile, cet anneau de gaz continua par la suite à subir l'assaut énergique des effets collatéraux de l'explosion de la supernova, en particulier les effets secondaires de la radioactivité ainsi que nous allons le décrire un peu plus bas (14°). 13°. L'illumination de la nébuleuse 11 ans après l’explosion de la supernova, suite aux interactions avec le rayonnement émis par la supernova, les débris les plus denses de l'enveloppe furent illuminés nous laissant cette fois découvrir sa forme en diabolo légèrement incliné vers la Terre par un effet de perspective, mais il n'est pas tout à fait centré sur la supernova pour une raison que l'on ignore encore. Ainsi que nous l'avons évoqué, la direction apparente des différentes éjections indique que l'explosion s'est produite en dehors du plan des anneaux de gaz. Rappelons que cette nébuleuse en diabolo fut éjectée au stade de pré-supernova.
Lorsque l'hydrogène éjecté des couches superficielles fut suffisamment refroidi le spectre afficha de profondes raies d'absorption. De nombreux métaux neutres ou faiblement ionisés sont apparus (FeI, NaI, CaII) preuves de la recombinaison des atomes. Un an plus tard, cette clarté s'évanouit et nous découvrîmes une bulle de gaz en expansion, la nébuleuse planétaire composée de gaz enrichis en métaux (éléments plus lourds que l'hydrogène) comme en témoignent les spectres présentés ci-dessous.
14°. Les émissions secondaires Les premières émissions continues que l'on reçut ensuite provinrent de l'interaction de l'onde de choc avec les gaz expulsés et la matière interstellaire ionisée. Excités par collisions, ces éléments ont tout d'abord émit un rayonnement radio, puis X quelques mois après l'explosion que ne manqua pas de détecter le satellite japonais Ginja (Chandra et XMM ne furent lancés qu'en 1999), détection confirmée par la station soviétique Mir. L'objet devint une radiosource.Une
seconde émission fut ensuite produite par les isotopes radioactifs synthétisés
dans le noyau de la supernova (les isotopes du Na-22, Al-26, Ti-44, Co-56, Ni-56, Fe-60).
Leur désintégration en l'espace de quelques mois ou de quelques années
généra un rayonnement
a
(hélions),
b
(électrons) et
g,
ce dernier n'ayant été "visible" si l'on peut
dire, qu'une fois l'enveloppe transparente à ce rayonnement. Cela prend
environ 600 jours pour une supernova de Type II. L'étoile de Sanduleak étant
moins massive que le modèle habituel, l'émission du Co-56
fut détectée en décembre 1987, environ 300 jours plus tard par le
satellite Solar Max[8].
Il
fallut également attendre que l'enveloppe de gaz se dilue dans l'espace pour détecter
l'étoile neutron. Cela peut varier de quelques mois jusqu'à 10 ans,
en fonction de la vitesse des gaz et de la masse éjectée. Conformément aux prédictions de Richard McCray du Joint Institute for Laboratory Astrophysics de Boulder et N.Lin de l’Université de Californie à Santa Cruz, à la fin de l'année 1999 les débris de l’explosion atteignirent l’anneau intérieur avec lequel ils entrèrent en collision formant un spectaculaire feu d’artifice comme en témoigne les photographies présentées ci-dessous. Cette friction entraîna l’illumination des parties de l’anneau demeurant invisibles jusqu'alors.
Aujourd'hui cet anneau intérieur a déjà parcouru 0.68 a.l. et mesure 1 a.l. de diamètre. On en déduit qu'il parcourt environ 2 UA par an (323 millions de km) à la vitesse de 10.2 km/s. La nébuleuse planétaire se dissipera dans le milieu interstellaire dans plusieurs centaines de milliers d'années seulement si elle n'est pas attirée entre-temps par un autre amas de matière plus dense où elle pourra poursuivre l'alchimie cosmique. L'anneau intérieur est actuellement illuminé par le rayonnement (chaleur) dégagé par la radioactivité du titane-44. L'anneau devrait briller jusqu'en 2052 environ, le temps que cet isotope libère complètement sa radioactivité et se transmute par décroissance en scandium puis en calcium-44. A ce moment là seule la radioactivité résiduelle d'autres isotopes libérés par le coeur de la supernova ou plus vraisemblablement le rayonnement de l'étoile neutron (fluorescence) pourrait encore éclairer les parties intérieures de la nébuleuse planétaire durant quelques milliers d'années sinon davantage avant qu'elle ne faiblisse et s'éteigne définitivement suite à la mort de l'étoile neutron. 15°. Evolution de l'étoile neutron Sanduleak subit littéralement une métamorphose en explosant et en soufflant son enveloppe gazeuse dans l'espace. Ce qui resta, le noyau neutronique subit à son tour une lente transformation en vertu des lois de la physique et entra dans le club restreint des étoiles neutrons. C'est à ce stade que les interactions nucléaires fortes (CDQ) et les effets de la relativité devinrent dominants avec tous les conséquences que ces conditions extrêmes peuvent générer sur les états de la matière et qui restent encore partiellement mal compris.
Ainsi que nous le détaillerons à propos des étoiles neutrons, sa structure interne est graduellement passée d'un état cristallin et relativement peu dense en surface (106 g/cm3), à une structure solide neutronique de plus en plus dégénérée à mesure que la pression augmentait (jusqu'à 1014 g/cm3) pour aboutir à une zone intermédiaire totalement liquide mais superdense et superfluide avant d'aboutir dans le coeur qui est peut-être solide (jusqu'à 1018 g/cm3) mais dont on ignore les propriétés. Evidemment ce coeur ne s'est pas transformé en trou noir qui demande des forces encore plus élevées et une masse nucléaire légèrement supérieure. Notons qu'un pulsar présente une structure similaire à celle de n'étoile neutron, à la seule différence qu'il est en rotation et magnétisé. Si Sanduleak présente peut-être une lente rotation sur elle-même comme bon nombre d'étoiles, elle n'est pas magnétisée et n'est donc pas accompagnée d'émissions électromagnétiques (radios). L'astre est inerte et se refroidit lentement; il se meurt. Mais dame Nature a bien fait les choses, car en prenant la peine de disséminer ses semences dans l'espace, elle en fera peut-être profiter autrui. Pour plus d'information Le mécanisme de ce type de supernova a été décrit en détails par Bethe, Wallerstein et al., Mezzacappa et Liebendoerfer et al. Vous trouverez des images et des commentaires additionnels sur les sites suivants : Introduction aux supernovae, IN2P Ten years of photometric observations of SN 1987A Supernova Monitoring at SNO, F.Fleurot/U.Laurentian Unveiling Black Holes in a Supernova Cauldron, S.L.Shapiro et al. Supernova neutrinos, OULU University Variable Star of the Month, AAVSO Supernovae (liens de la NAVY) Supernova and Supernova Remnant Page (liens de la NAVY) Retour aux Notions d'astronomie
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