Les supernovae, explosions d'étoiles - Partie 2

Scénario d’une explosion en supernova

Nous avons vu que les étoiles engendrant des supernovae étaient des étoiles massives. Il faut savoir que, contrairement à ce qu’on pourrait penser, ces étoiles vivent moins longtemps que les étoiles dites classiques (comme notre Soleil). En effet, celles-ci gaspillent rapidement leur énergie. L’explosion en supernova est le dernier stade de la mort stellaire, l’agonie durant des millions d’années et prenant la forme d’une succession de synthétisation des noyaux atomiques, devenant toujours plus lourds. Les stades deviennent quant à eux de plus en plus rapides, jusqu’à épuisement des réserves … Le cœur de l’étoile est l’endroit où se trouvent la matière la plus dense et les atomes les plus lourds, la pression la plus forte et la température la plus haute. Les couches externes étant plus froides et légères.

Stades de combustion des éléments

Etapes	Durée (ans)
Hydrogène > Hélium	10⁷
Hélium > Carbone	10⁶
Carbone > Néon	10⁴
Néon > Oxygène	12
Oxygène > Silicium / Soufre	4
Silicium / Soufre > Fer / Nickel	2 x 10^-2

L’étoile passe ainsi par plusieurs stades de fusion nucléaire, jusqu’à atteindre l’état le plus stable (cœur de fer et de nickel-56). La fusion ne peut alors plus avoir lieu car le fer consomme de l’énergie au lieu d’en produire, ce qui provoque une grave perte d’énergie : le cœur de l’étoile devient incapable de supporter le poids de ses couches externes … Il se contracte. Le cataclysme peut commencer.

structure supernova

La mort de l'étoile

Toute cette structure, qu’il a fallu plusieurs millions d’années à mettre en place, va maintenant voler en éclats en un instant. Pourtant, bien que destinée à mourir, l’étoile usera d’autant de stratagèmes qu’elle le pourra pour résister le plus longtemps possible.

Une réaction en chaîne

La subite contraction du noyau de fer augmente de façon spectaculaire la température. A 5 milliards de degrés, les noyaux de fer et de nickel se désintègrent sous l’action de l’énergie des photons gamma, donnant naissance à des noyaux d’hélium et des neutrons. Les réactions de fusion ont une seconde naissance, faisant bouillir le cœur de l’étoile en surface. Mais la photodésintégration du fer absorbe de nouveau de grandes quantités d’énergie. S’ensuit alors la réaction en chaîne suivante : Les électrons, piégés dans des volumes très étroits, se déplacent très vite et produisent alors beaucoup d’énergie. Ils commencent à entrer en collision avec les protons, ce qui engendre des neutrons, libérant un neutrino (particule fantôme).
La disparition de l’électron fait baisser la pression, ce qui pousse de nouveau la gravitation à la contraction. La contraction occasionnée est une raison de plus pour les électrons de s’agiter et de percuter des protons, donnant de nouveau naissance à des neutrons et libérant des neutrinos, etc etc … Jusqu’à ce qu’il ne reste plus que des neutrons, finissant collés les uns aux autres (absence de charge électrique). Comme nous l’avons mentionné précédemment, il ne s’agit pas là d’une simple succession de contractions mais d’un véritable effet boule de neige foudroyant.

Un noyau de neutrons à la densité extrême

Auparavant d’un diamètre de 5000 kilomètres, voici maintenant le noyau grand comme 100 kilomètres, en l’espace de moins d’une seconde. La densité dépasse les 250 millions de tonnes par centimètre cube !! La brutale contraction du noyau crée une dépression entre le noyau et l’enveloppe externe, alors composée de fer, qui précipite cette dernière sur la surface du cœur à la vitesse de 50 000 km/s. Le choc donne à l’étoile à neutrons sa taille définitive : environ 10 kilomètres de diamètre, pour moins de 2 masses solaires.
La contraction est extrême, les neutrons se touchent jusqu’à finalement former un seul et même noyau gigantesque. Tout ce qui s’effondre maintenant sur le noyau est destiné à rebondir … La violence du choc recrée même pour l’occasion une nouvelle fusion thermonucléaire. Le mouvement s’inverse donc et l’onde de choc se propage maintenant vers l’extérieur, engendrant de nouvelles photodésintégrations du fer. Mais l’onde s’épuise avant d’avoir atteint la surface. La cause de l’explosion vient donc d’ailleurs.

étoile à neutrons

Les neutrinos, détonateurs de l'explosion

Ne laissons pas de place pour le suspense, la particule coupable de l’explosion ultime de l’étoile est également celle que n’importe qui soupçonnerait en dernier : le neutrino !
La température du noyau s’élève désormais à 100 milliards de degrés.
Alors même que ces particules sans masse ne sont d’habitude pas soumis à la force de gravité (des milliards de neutrinos traversent votre corps à chaque seconde, sans que vous ne vous en doutiez !), la densité du noyau de neutrons est telle qu’elle emprisonne pendant quelques fractions de secondes tous les neutrinos nés de la photodésintégration du fer. Ceux-ci, pris de panique, arrivent à s’extraire du carcan dans lequel ils étaient prisonniers : C’est cette fuite éperdue des neutrinos qui, emportant avec eux plus de 99% de l’énergie de la supernova, semblent être le réel détonateur de l’explosion. L’onde de choc du rebond de l’enveloppe est rattrapée par l’énergie des neutrinos et aboutie enfin à la dispersion de la matière de l’enveloppe par explosion, produisant même des éléments plus lourds que le fer, tels le zinc, l’or, le mercure, le plomb … Dans la nature, seules les supernovae sont capables de synthétiser de tels éléments.
Du fait de son intense chaleur, la supernova commence à briller dans l’ultraviolet, avant d’être visible en refroidissant. Dans un premier temps, le rayonnement est du à l’échauffement par compression de la matière éjectée, puis par la désintégration des éléments radioactifs.

Un bel exemple de simulation d'explosion d'une supernova, avec une étoile à neutrons résultante : M1, nébuleuse du Crabe :

Seul subsite le noyau, qui devient un astre à part entière

L’explosion de l’étoile ne signifie pas qu’elle disparaît pour autant … Le dense noyau central reste là, sous forme d’étoile à neutrons, voire de pulsar ou bien de trou noir, selon la masse qui le caractérise. Quant à la matière expulsée dans l’espace, elle donne naissance aux superbes nébuleuses qui font le bonheur de tout passionné d’astronomie.
Il existe également, uniquement en théorie pour le moment, faute d’observation, ce qu’on appelle les hypernovae. Comme leur nom l’indique, ces explosions sont issues d’étoiles exceptionnellement massives. Dans ce cas, le cœur de l’étoile s’effondre directement en trou noir, faisant jaillir deux jets de plasma très énergétiques émis le long de l’axe de rotation de l’étoile, à une vitesse proche de la lumière. Ces jets d’intenses rayons gamma sont pour l’instant la seule explication à l’origine des sursauts gamma.

jet de plasma

Les supernovae, ensemenceurs de l'Univers

Les supernovae ont un rôle d’une importance capitale dans le bon déroulement de la complexification de la matière, dont nous sommes nous-même le résultat, voire l’aboutissement. Il est vrai que l’univers primitif né du Big Bang était essentiellement constitué d’hydrogène et d’hélium … Les étoiles, de par leur fusion nucléaire, sont les créateurs de tous les noyaux atomiques connus à ce jour, et ce sont les explosions en supernovae qui ont ensemencé l’Univers de toute cette richesse. Les supernovae ne façonnent pourtant pas seulement le cosmos de par les atomes qu’elles créent, mais également par l’énergie déployée, qui joue un rôle important dans l’organisation de la matière … et dans le recyclage de celle-ci.
Ainsi, des générations entières d’étoiles naissent et meurent, en engendrant toujours « quelque chose » de supplémentaire : c’est véritablement la création par la destruction, et nous sommes nous aussi concernés. Certains chercheurs ont en effet émis l’hypothèse selon laquelle les torrents de neutrinos accompagnant ces explosions pourraient avoir joué un rôle dans les grandes extinctions d’espèce vivantes qu’a connues la Terre au cours de son histoire …

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Une supernova qui explose deux fois

Supernova Explosion

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