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De nouvelles données sont la preuve du processus qui alimente les étoiles qui explosent

by Les Actualites
Agrandir / Une image multi-longueurs d’onde du reste de supernova Cassiopée A.

Les supernovae se produisent. Nous en avons assez vu pour que nous en soyons presque sûrs. La raison pour laquelle ils se produisent est un tout autre problème. Alors que nous travaillons à comprendre la physique qui entraîne ces immenses explosions, nous sommes parfois passés par des périodes difficiles où les étoiles de nos modèles cessent d’exploser. L’ajout d’une physique plus réaliste a généralement redonné un essor aux modèles, et pour le moment, nous sommes dans une période où les derniers modèles semblent s’autodétruire.

Le défi consiste à essayer de trouver des preuves que la physique que nous utilisons dans nos modèles à succès reflète fidèlement ce qui se passe dans une étoile mourante – pas une tâche facile avec un événement qui détruit instantanément une grande partie des preuves.

Maintenant, les données de l’Observatoire de rayons X Chandra indiquent qu’un mécanisme utilisé dans les modèles récents de supernova est probablement juste. Les résultats sont publiés dans le numéro de cette semaine de Nature.

Ça va boum (surtout)

Les supernovae en cause ici se produisent lorsqu’une étoile massive manque de carburant, entraînant l’effondrement de son noyau. Ici, vous pouvez voir un problème potentiel: comment un effondrement conduit-il à une explosion?

L’idée générale est que, une fois que le carburant est épuisé et que la fusion s’arrête, le noyau interne de l’étoile s’effondre en une étoile à neutrons. Les couches au-dessus du noyau, privées de l’énergie qui les a poussées vers l’extérieur, plongent vers le noyau, frappent l’étoile à neutrons et rebondissent. Ce rebond est alors ce qui met en pièces les couches visibles les plus externes de l’étoile.

Malheureusement, cela ne fonctionne pas exactement. Les couches externes de l’étoile sont également coupées de l’énergie qui a contrecarré l’attraction de la gravité, et elles commencent également à plonger vers le noyau. Quelque part à l’intérieur de l’étoile, les couches rebondissantes explosant vers l’extérieur se heurteront aux couches les plus éloignées qui s’effondrent toujours vers l’intérieur. Le résultat est un front de choc qui cale avant d’atteindre la surface de l’étoile. Rien ne va boum.

Le point d’équilibre est atteint suffisamment près de la surface de l’étoile, cependant, qu’un apport supplémentaire d’énergie serait suffisant pour retourner les choses dans un mode d’explosion. Et les physiciens ont proposé une source plutôt improbable pour cette énergie: les neutrinos. Ces particules sont remarquables pour interagir rarement avec d’autres matières, elles semblent donc être un terrible candidat pour transférer de l’énergie vers le matériau qui agit dans les couches externes de l’étoile. Mais un si grand nombre d’entre eux sont produits lors de l’effondrement du cœur que le chauffage par neutrino est une chose, même si ce n’est pas une chose que vous voudriez avoir pour réchauffer vos restes.

Et, heureusement dans ce contexte, c’est une chose qui a des conséquences. Le matériau qui est chauffé par les neutrinos continue d’essayer de se dilater et de s’échapper de l’étoile. Le matériau qui n’a pas été cuit par les neutrinos fait toujours de son mieux pour s’effondrer. Le résultat est une convection dramatique dans les couches externes de l’étoile, alors que les matériaux qui s’effondrent et explosent les uns sur les autres. Cela a le potentiel de créer des explosions asymétriques, ce que nous avons vu se produire. Et cela a aussi des conséquences sur le matériau qui est éjecté.

Le gel

Le chauffage par neutrinos peut sembler un peu étrange, mais l’une de ses conséquences est tout aussi étrange. Le matériau chauffé forme ce que les physiciens appellent un «panache à haute entropie». Dans ce cas, l’entropie élevée se réfère simplement à une combinaison de faible densité et d’énergies extrêmement élevées. Il est suffisamment élevé pour que certains des atomes récemment formés finissent par être désassemblés en protons, neutrons et particules alpha, une combinaison deux neutrons / deux protons. (Une particule alpha est identique au noyau d’un atome d’hélium typique.)

Au fur et à mesure que le matériau refroidit, cependant, l’énergie et la densité chutent à l’endroit où tout ce matériau commence à former des noyaux atomiques plus grands dans un processus appelé gel riche en alpha. Ce processus a une signature atomique distincte, car la physique du gel est susceptible de former un certain nombre d’éléments et d’isotopes spécifiques. Ainsi, en regardant les restes de l’étoile explosée, nous pouvons potentiellement trouver des preuves qu’un gel riche en alpha a eu lieu.

Image détaillée, montrant les panaches riches en fer à haute vitesse en bas à gauche.
Agrandir / Image détaillée, montrant les panaches riches en fer à haute vitesse en bas à gauche.

Et c’est exactement ce qui a été fait dans cette nouvelle étude. L’un des isotopes produits dans les gelées riches en alpha est 56Ni, qui se désintègre rapidement en 56Fe. Et l’imagerie précédente des restes de supernova à Cassiopée A a montré qu’il existe des zones dans le matériau éjecté qui sont riches en fer. Ainsi, une collaboration entre des chercheurs américains et japonais a recherché dans ces régions riches en fer la présence de chrome et de titane, qui sont également produits lors d’un gel riche en alpha.

Évidemment, les chercheurs les ont trouvés, sinon cet article n’aurait pas eu besoin d’être écrit. De manière tout aussi critique, le chrome et le titane étaient présents en quantités compatibles avec leur formation dans un panache de matériau riche en protons et à haute énergie.

De manière tout aussi significative, les modèles de supernova suggèrent que les panaches de matière entraînés par le chauffage des neutrinos devraient voyager aux alentours de 4 000 à 5 000 kilomètres par seconde. Et le matériau riche en fer se déplace à plus de 4000 kilomètres par seconde, ce qui le place dans le bon quartier.

Tout cela suggère que nos modèles actuels d’étoiles explosives semblent être sur la bonne voie. Non seulement les étoiles modèles explosent en fait, mais elles le font d’une manière qui semble être cohérente avec un reste de supernova existant. De toute évidence, ce sera quelque chose que nous voudrons regarder d’autres supernova reste à confirmer. Mais pour le moment, au moins, les modélistes peuvent apprécier le soulagement d’avoir de bonnes raisons de croire qu’ils ne sont pas très loin de la piste.

Nature, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03391-9 (A propos des DOI).

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