Explosion Cataclysmique des Étoiles |
Au Cœur de SN 1987a |
S.B. - POUR LA SCIENCE N°558 > Avril > 2024 |
On sait faire Exploser des Étoiles |
Un demi-siècle que les astronomes butaient sur la mort cataclysmique des étoiles : leurs modèles ne parvenaient pas à la reproduire. Parce qu'ils étaient en 2D. En passant à la 3D, tout s'éclaire enfin. La preuve en image.
Le cataclysme n'a pas fait de bruit. Il s'est modestement matérialisé dans les publications sous la forme d'une courbe à la pente plus aiguë, d'un nuage de plasma devenu irrégulier ou d'un mouvement de rotation insoupçonné... Mais le résultat est là : depuis 5 ans environ, les astrophysiciens savent faire exploser les étoiles. "Cela fait 50 ans que le mystère nous résiste. Rendez-vous compte, un demi-siècle", insiste Adam Burrows. Dans la voix de cet astronome de l'université de Princeton (États-Unis), percent la fébrilité, l'impatience. De l'excitation aussi. Il y a un demi-siècle en effet, grâce aux premiers supercalculateurs, les spécialistes des étoiles avaient cru toucher du doigt le plus grand cataclysme de l'Univers : ils allaient pouvoir détailler comment les étoiles massives, au moins 8 fois plus lourdes que le Soleil, déflagrent en quelques centaines de millisecondes lorsqu'elles arrivent à court de carburant. Comment, dans ce flash éblouissant aussi lumineux qu'une galaxie entière, que l'on nomme supernova, elles projettent dans l'espace la quasi-totalité de leur matière, donnant naissance à de véritables feux d'artifice et, surtout, à tous les atomes lourds de l'Univers : le carbone, l'oxygène, le silicium, le fer...
IL MANQUAIT JUSTE UNE DIMENSION...
Mais les astronomes ont vite déchanté. Aucune des étoiles virtuelles forgées dans leurs supercalcullateurs ne semblait vouloir exploser. Simulation après simulation, elles s'effondraient simplement sur elles-mêmes avant de s'éteindre. Or, comme ils ne cessaient de le répéter en levant les yeux au ciel : manifestement, elles explosent ! Ils avaient bien imaginé un mécanisme physique capable d'insuffler à l'étoile le surcroit d'énergie nécessaire à son explosion : des neutrinos, ces particules insaisissables produites en masse par le cour des étoiles agonisantes, pourraient être absorbés par les gaz de l'étoile puis les chauffer, donnant naissance à une lame de fond qui désolidariserait l'enveloppe stellaine et disperserait les gaz alentour. Un processus convaincant... mais qui, une fois codé dans les ordinateurs, échouait toujours à allumer l'étincelle. Que diable avaient-ils manqué ?
Aujourd'hui, les astronomes pensent avoir la réponse : ils n'avaient rien oublié... si ce n'est une dimension et de la puissance de calcul. Car après 50 ans de pétards mouillés, ils ont réussi leur feu d'artifice. Leur modèle était bon, mais il n'était pas représenté dans la bonne dimension, ni avec la bonne précision. En affûtant leurs simulations, ils ont façonné des fontaines de lumière, des bouquets de plasma irisés et donné corps à des supernovæ. "C'est un pas important, réagit Rodrigo Fernandez, spécialiste du sujet à l'université Berkeley (États-Unis). Grâce aux simulations en 3D, nous avans vu que des instabilités créées par le chauffage des gaz au cour de I'étoile peuvent briser sa symétrie sphérique, s'étirant jusqu'à déchirer l'enveloppe gazeuse et la faire exploser".
La plupart des spécialistes se gardent cependant de crier victoire, car les modèles restent approximatifs : ils reposent sur des équations qui ne décrivent que grossièrement le mouvement des neutrinos au cœur de l'étoile ; la plupart ne tiennent pas compte de la diversité des énergies portées par ces particules ; et certaines simplifications géométriques rendent les conclusions délicates à interpréter... "Il est difficile d'apprécier à quel point une simulation est scandaleusement simpliste, convient Thierry Foglizzu, du Commissariat à l'énergie atomique. Mais il faut faire avec pour avancer". Et célébrer l'instant en profitant de ce spectacle ô combien jouissif : on sait allumer l'étincelle, faire gonfler les nuages de gaz, répercuter l'onde de choc, expulser les geysers de plasma et insuffler une rotation colossale... On sait faire exploser les étoiles. La démonstration en 5 simulations.
1/ L'ALLUMAGE
Tout commence au cœur de cette bulle de gaz brûlant.
En modélisant pour la première fois avec précision comment des étoiles de 11 et 15 fois la masse du Soleil s'effondrent sur elles-mêmes lorsqu'elles arrivent à court de carburant, Andreas Marek et son équipe de l'Institut Max-Planck d'astrophysique ont assisté à la naissance de flots de particules : des neutrinos propulsés à la vitesse de la lumière dans toutes les directions, qui entrent en collision avec les atomes du gaz environnant, le chauffent et donnent naissance à de violents et gigantesques tourbillons de matière. "Cette simulation nous permet, pour la première fois, de prouver que les neutrinos sont capables d'insuffler assez d'énergie pour déclencher l'explosion", précise Hans-Thomas Janka, qui a participé à l'étude.
2/ LA PROPAGATION
Des bulles de gaz aux formes irrégulières qui gonflent, se déforment, vrillent et oscillent jusqu'à exploser, comme un liquide visqueux qui serait entré en ébullition.
Voilà ce qu'ont découvert sur leurs écrans Florian Hanke et ses collègues de l'Institut Max-Planck. En modélisant en trois dimensions comment les différentes couches de l'étoile se mettent en mouvement sous l'effet de la chaleur produite par les neutrinos lorsque son cœur implose, les astrophysiciens se sont aperçus que les instabilités, d'abord sphériques et régulières, devenaient asymétriques. Au lieu de s'étendre régulièrement sous la forme de vagues oscillant indéfiniment d'un pôle à l'autre, comme le montraient les précédentes simulations, les gaz chauds donnent naissance à de gigantesques bulles de tailles variées, qui gonflent par à-coups. "C'est à cause de ces asymétries pulsantes et de grande amplitude que l'étoile finit par se déchirer, explique Hans-Thomas Janka, qui a participé à l'étude. Sans elles, l'étoile gonflerait, certes, mais elle finirait par se rétracter, sans exploser".
3/ L'ONDE DE CHOC
Pour Adam Burrows, qui a réalisé cette simulation à l'université américaine de Princeton, la clé de l'explosion d'une supernova se situe non pas en son cœur, mais dans le halo bleuté qui l'entoure.
"Lorsque le cœur de l'étoile se contracte, son noyau finit par devenir incompressible, détaille le chercheur. Il engendre alors une onde de choc qui se propage vers l'extérieur. Et dans son sillage nait une multitude de tourbillons, dont on avait jusque-là négligé l'importance... simplement parce qu'ils étaient modélisés en 2 dimensions". En passant à la 3D, l'astronome observe en effet que ces tourbillons s'épanouissent. L'énergie de l'onde de choc est transférée à l'échelle de l'étoile par un phénomène dit de convection, et cette onde pourrait avoir assez de force pour désolidariser l'enveloppe gazeuse stellaire et la faire exploser. "Le chauffage des neutrinos au cœur et la convection en amont de l'onde de choc : ces deux phénomènes peuvent jouer un rôle dans l'explosion, commente Thierry Foglizzo, spécialiste du sujet au Commissariat à l'énergie atomique. Reste à déterminer lequel des deux prédomine".
4/ LA DÉTONATION
De gigantesques geysers de matière émergent de la surface de l'étoile à des milliers de kilomètres par seconde.
Des panaches de plasma brûlant qui transportent de l'oxygène, du carbone, du nickel... Bref, de gigantesques fontaines qui déversent dans l'espace tous les éléments lourds de l'Univers, toute la matière première nécessaire à la formation des planètes. En suivant, pour la première fois en 3D, l'évolution de l'étoile plusieurs heures après l'étincelle initiale insufflée par les neutrinos en son cœur, l'équipe de Hans-Thomas Janka, de l'Institut Max-Planck, a pu détailler le mélange des gaz dans les couches externes de l'astre, la manière dont se répartissent les différents atomes... et a retrouvé exactement les mêmes résultats que ceux mesurés par les télescopes. "En 3 dimensions, le mélange des gaz est plus efficace et plus rapide qu'en deux dimensions, explique le chercheur. Cela explique sans doute les écarts que nous trouvions auparavant".
5/ LA DISSIPATION
L'étoile a explosé et voici qu'il ne reste plus d'elle qu'un nuage de gaz froids avec, au centre, un cœur stellaire incroyablement dense, qui tourne sur lui-même en quelques dizaines ou centaines de millisecondes : une étoile à neutrons.
Avec leur modèle tout simple, qui consiste à faire chauffer un halo de gaz en 3D, Antony Mezzacappa et son équipe du Laboratoire national d'Oak Ridge, aux États-Unis, ont trouvé la source de la rotation d'une étoile à neutrons : ce pourraient être les instabilités générées par l'effondrement du cœur, celles à l'origine de l'explosion cataclysmique de l'étoile, qui lui insuffleraient sa vitesse. Car la simulation le montre, il suffit d'un tout petit déséquilibre initial dans le chauffage des gaz pour donner naissance à des courants de matière à l'échelle de l'étoile, qui entraînent le cour jusqu'à lui donner une vitesse faramineuse. "Une étoile à neutrons peut tourner dans le sens inverse de celui de l'étoile qui lui a donné naissance", précise le chercheur.
M.F. - SCIENCE & VIE > Octobre > 2013 |