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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 + νe ↔ p + e-  et  p + anti-νe  ↔ 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.

Aspect de SN1987A quatre ans après l'explosion; c'est la tache rouge allongée à peine discernable sur l'image de gauche qui couvre un champ d'environ 1'. L'étoile doit sa forme à l'onde de choc qui s'étend à partir de la supernova et qui est entrée en collision avec la matière éjectée par l'étoile avant l'explosion. A droite une image plus générale réalisée en 1994 sur laquelle on distingue très bien l'anneau en forme de diabolo. Cliquer sur l'image pour l'agrandir. Documents AAO/David Malin et NASA/STSCI/HST.

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

Courbe lumineuse des éléments synthétisés par SN1987A.

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.

L'explosion ayant libéré des photons équivalents à la lumière de 100 millions de soleils, en quelques semaines l'étoile devint la plus brillante du ciel, attirant invariablement l'attention des observateurs. Elle devient une supernova. SN1987A était née le 23 février 1987. L'étoile de Sanduleak atteignit seulement la magnitude 2.9 mais elle aurait pu atteindre les magnitudes négatives car le modèle standard donne aux supernovae de Type II un éclat d'un milliard de fois celui du Soleil.

Le silicium et le soufre qui se formèrent juste après l'implosion fusionnèrent pour donner naissance à du nickel et du cobalt radioactifs qui furent responsables de la courbe lumineuse de la supernova après les deux premières semaines comme l'indique le graphique présenté ci-dessus.

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.

A gauche observée en 2000 par le satellite Chandra sensible au rayonnement X, SN1987A a soufflé dans l'espace une immense bulle de gaz et de plasma excessivement chaude à près de 30000 km/s - 108 millions de km/h ! -, parcourant près de 1.3 années-lumière en l'espace de 15 ans ! A droite les deux anneaux de poussières situés respectivement à 470 et 1300 a.l.de l'étoile meurtrie sont illuminés par la supernova depuis longtemps évanouie mais dont les "reflets" continuent à se propager dans l'espace comme une onde à la surface de l'eau. Consulter ce document anglais préparé par David Allen pour une explication du phénomène optique. Documents NASA/CfA/Chandra et AAO/David Malin.

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.

A gauche, SN1987A photographiée en avril 2005 par P.Challis en lumière blanche. Les deux étoiles extérieures sont situées à l'avant-plan et n'appartiennent pas à la nébuleuse. L'anneau central orange, constitué de gaz et de poussières est situé à 0.68 a.l. de Sanduleak et mesure 1 a.l. de diamètre. Formé antérieurement à la supernova, il s'est illuminé en 1988, soit 11 ans après l'explosion de la supernova, balisant la progression des débris à partir des résidus située au centre de l'image. Le double anneau extérieur forme les parties les plus visibles de la bulle de gaz en expansion prenant pour l'occasion la forme d'un diabolo. A droite la nébuleuse Mycn18 dont la forme rappelle celle de SN1987A. Elle s'est également formée suite à l'explosion d'une supernova que nous n'avons pas eu l'occasion d'observer. Documents NASA/ESA/STScI, CfA/Pete Challis et NASA/ESA/STScI.

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.

L'analyse spectrographique réalisée par le télescope Hubble de l'anneau intérieure libéré par Sanduleak 20000 ans avant qu'elle ne devienne une supernova révèle qu'il est principalement constitué d'hydrogène et d'azote (les 3 anneaux rouges clairs), d'oxygène (vert) et de soufre (rouge). En effectuant le rapport de la brillance de cet anneau dans une même raie spectrale on peut évaluer la concentration de cette matière. La lumière de ces différents éléments permet également d'identifier les gaz à certains niveaux de température. C'est en reconstituant les différents éléments de ce puzzle et en étudiant les courbes lumineuses de l'explosion que les astrophysiciens ont pu obtenir une image des processus stellaire et physique ayant formé cet anneau et dont la température oscille encore entre 5 et 25000 K. Au début invisible, à présent cet anneau brille essentiellement en raison de la chaleur libérée par la radioactivité du Titane-44 créé au cours de l'explosion de la supernova. Il devrait irradier la nébuleuse durant plusieurs décennies encore. Document NASA/ESA/STScI.

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 α (hélions), β (électrons) et γ, 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. Depuis 1987 les radioastronomes écoutent l'étoile de Sanduleak SN1987A, attendant impatiemment les premières émissions de l'éventuel pulsar. Jusqu'à présent toutes les mesures corroborent l'hypothèse que l'astre qui implosa est une étoile neutron et non pas un pulsar[9] et ne forma pas non plus un trou noir. La masse de l'étoile sur la Séquence principale n'était en effet pas suffisante pour former ce dernier objet hypermassif.

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.

Les deux images de gauche nous montrent l'évolution de l'anneau intérieur de SN1987A souflé par les couches extérieures de l'étoile avant d'exploser. Il s'étend aujourd'hui à la vitesse de 10.2 km/s. Les deux images de gauche ont respectivement été prises en 1997 et le 2 février 2000. Lorsque les gaz soufflés par l'explosion atteignirent l’anneau intérieur, ils entrèrent en collision avec la matière qui, chauffée à blanc s'illumina. L'anneau d'une température de quelques milliers de degrés au départ fut porté à un million de degrés, autant que dans la couronne du Soleil. Les quatre images suivantes montrent l'illumination progressive de l'anneau : le 5 novembre 1995, le 2 avril 1999, le 23 novembre 2001 et le 28 novembre 2003. Voici un autre image montrant l'évolution du phénomène depuis 1994. Documents NASA/ESA/STScI.

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.

Suite à l'explosion de la supernova, le rayonnement de la nébuleuse du Crabe couvre toute l'étendue du spectre, des ondes radios aux rayons X en passant par le spectre visible et les UV. Etant proche et très brillante c'est un sujet privilégié pour l'étude du rayonnement et de l'évolution stellaire. Documents NASA/UIT.

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.

Bien qu'il reste encore des zones d'incertitudes, en validant les modèles théoriques des supernovae, les astrophysiciens ont pu confirmer la théorie du Big Bang, en particulier la théorie des particules élémentaires. En effet, l'explosion d'une supernova libérant une énergie colossale et une température de plusieurs milliards de degrés, nous nous retrouvons dans les mêmes conditions qu'une fraction de seconde après la naissance de l'univers, il y a environ 13.8 milliards d'années. Les modèles théoriques s'appliquant assez bien dans les faits, les astrophysiciens eurent la confirmation que leurs recherches ne sont pas vaines et que leurs modèles confinés dans les limbes de la connaissance théorique sont conformes à la réalité. Cette relation entre un savoir abstrait, symbolique, et le monde sensible est une notion fondamentale sur laquelle nous insisterons encore en d'autres circonstances et principalement dans le dossier consacré à la philosophie des sciences. Ce 23 février 1987 les astrophysiciens eurent la chance de pouvoir vérifier la validité de leurs lois. Rien qu'à ce titre le phénomène qui se produisit au-dessus de nos têtes était exceptionnel et méritait toute notre attention. Nous savons aujourd'hui que nous pouvons faire confiance à nos connaissances.

Pour plus d'informations

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 :

Twenty Years of Supernova 1987A (PDF), ESO

The Ten-Years Photometric Evolution of SN 1987A, Nicholas B. Suntzeff/CTIO, 1997 (ArXiv)

Supernova Monitoring at SNO, F.Fleurot/U.Laurentian

Unveiling Black Holes in a Supernova Cauldron, S.L. Shapiro et al., 1999

Supernova neutrinos, Oulu University

Supernova SN1987A, AAVSO

Hubblesite archives

Supernova and Supernova Remnant Page (liens de la NAVY)

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[8] Il s'agit bien du satellite Solar Maximum Mission. Il fut réparé par les astronautes en 1984 mais fut perdu depuis.

[9] A propos du démenti concernant la découverte d'un pulsar à 0.51 ms dans SN1987A lire, G.Anderson, Nature, 343, 1990, p679 - J.Kristian, Nature, 349, 1991, p747.


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