Supernovae

Que savez-vous des supernovae ? Vous direz sans doute qu’une supernova est une explosion d’étoile qui laisse derrière elle une étoile à neutrons ou un trou noir.

Il n’y a pas que des explosions d’étoiles

Cependant, toutes les supernovae ne constituent pas l’étape finale de la vie des étoiles massives. Selon la classification moderne des explosions de supernovae, outre les explosions de supergéantes, d’autres phénomènes entrent également en ligne de compte.

Nouvelles supernovae

SN 1604 ou supernova de Kepler.

Le terme «supernova» est dérivé du terme «nouvelle étoile». Le terme «nouvelle» était utilisé pour désigner les étoiles qui apparaissaient dans le ciel dans un espace pratiquement vide et qui disparaissaient progressivement. Les premières «nouvelles» sont connues grâce à des chroniques chinoises datant du deuxième millénaire avant Jésus-Christ. Il est intéressant de noter que parmi ces nouvelles étoiles se trouvaient souvent des supernovae. Par exemple, c’est une supernova observée en 1571 par Tycho Brahe qui, plus tard, a inventé le terme «nouvelle étoile». Nous savons maintenant que dans les deux cas, il ne s’agit pas de la naissance de nouvelles étoiles au sens propre.

Les nouvelles étoiles et les supernovae font référence à une augmentation soudaine de la luminosité d’une étoile ou d’un groupe d’étoiles. Dans le passé, il n’était généralement pas possible d’observer les étoiles à l’origine de ces explosions. Il s’agissait d’objets trop peu lumineux pour l’œil nu ou les instruments astronomiques de l’époque. Ils étaient observés au moment de l’éruption, qui ressemblait naturellement à la naissance d’un nouveau luminaire.

Malgré la similitude de ces phénomènes, il existe aujourd’hui une grande différence dans leur définition. Le pic de luminosité des supernovae est des milliers et des centaines de milliers de fois supérieur au pic de luminosité des nouvelles étoiles. Cette différence est due à la nature fondamentalement différente de ces phénomènes.

La naissance de nouvelles étoiles

Une supernova a éclaté en 1604.

Les nouvelles éruptions sont des explosions thermonucléaires qui se produisent dans certains systèmes stellaires proches. Ces systèmes se composent d’une naine blanche et d’une étoile compagnon plus grande (une étoile de la séquence principale, une sous-géante ou une géante). La puissante gravité de la naine blanche attire la matière de l’étoile compagnon, ce qui entraîne la formation d’un disque d’accrétion autour d’elle. Les processus thermonucléaires qui se produisent dans le disque d’accrétion perdent parfois leur stabilité et deviennent explosifs.

À la suite d’une telle explosion, la luminosité du système stellaire augmente de milliers, voire de centaines de milliers de fois. C’est ainsi que naît une nouvelle étoile. L’objet jusqu’alors peu lumineux, voire invisible pour l’observateur terrestre, devient nettement plus brillant. En règle générale, une telle éruption atteint son apogée en quelques jours et peut s’éteindre pendant des années. Souvent, de telles éruptions se répètent dans le même système une fois toutes les quelques décennies, c’est-à-dire qu’elles sont périodiques. Il existe également une enveloppe de gaz en expansion autour de la nouvelle étoile.

Les explosions de supernova ont une nature d’origine complètement différente et plus diversifiée.

Classification des supernovae

Les supernovae sont généralement divisées en deux classes principales (I et II). Ces classes peuvent être appelées classes spectrales car elles se distinguent par la présence ou l’absence de raies d’hydrogène dans leurs spectres. De plus, ces classes présentent des différences visuelles marquées. Toutes les supernovae de classe I sont similaires, tant au niveau de la puissance de l’explosion que de la dynamique du changement de lumière. Les supernovae de classe II, en revanche, sont très différentes à cet égard. La puissance de leur explosion et la dynamique de leur changement de luminosité se situent dans une fourchette très large.

Toutes les supernovae de classe II sont produites par l’effondrement gravitationnel à l’intérieur d’étoiles massives. En d’autres termes, il s’agit de la même explosion, qui nous est familière, que celle des supergéantes. Parmi les supernovae de classe I, on trouve celles dont le mécanisme d’explosion est assez similaire à celui des nouvelles étoiles.

La mort des supergéantes

Le vestige de la supernova W49B

Les étoiles dont la masse dépasse 8 à 10 masses solaires deviennent des supernovae. Les noyaux de ces étoiles, ayant épuisé l’hydrogène, passent à des réactions thermonucléaires impliquant l’hélium. Après avoir épuisé l’hélium, le noyau procède à la synthèse d’éléments de plus en plus lourds. De plus en plus de couches se créent à l’intérieur de l’étoile, chacune ayant son propre type de fusion thermonucléaire. Au stade final de son évolution, une telle étoile se transforme en supergéante «à couches». La fusion du fer a lieu au cœur de l’étoile, tandis que la fusion de l’hélium à partir de l’hydrogène se poursuit plus près de la surface.

La fusion des noyaux de fer et d’éléments plus lourds se fait avec absorption d’énergie. Ainsi, devenu fer, le noyau d’une supergéante n’est plus en mesure de libérer de l’énergie pour compenser les forces gravitationnelles. Le noyau perd son équilibre hydrodynamique et commence à se contracter sans distinction. Les autres couches de l’étoile continuent à maintenir cet équilibre, jusqu’à ce que le cœur se contracte jusqu’à une taille critique. L’équilibre hydrodynamique est alors perdu par les autres couches et par l’étoile dans son ensemble. Seulement, dans ce cas, ce n’est pas la compression qui «gagne», mais l’énergie libérée lors de l’effondrement et d’autres réactions désordonnées. L’explosion d’une supernova se traduit par la chute de l’enveloppe externe de l’étoile.

Différences entre les classes

Cassiopée Un vestige de supernova.

Les différentes classes et sous-classes de supernovae s’expliquent par l’état de l’étoile avant l’explosion. Par exemple, l’absence d’hydrogène dans les supernovae de classe I (sous-classes Ib, Ic) est une conséquence du fait que l’étoile elle-même n’avait pas d’hydrogène. Il est très probable qu’une partie de son enveloppe extérieure ait été perdue au cours de son évolution dans un système binaire proche. Le spectre de la sous-classe Ic diffère de celui de Ib par l’absence d’hélium.

En tout état de cause, les supernovae de ces classes se produisent dans des étoiles qui n’ont pas d’enveloppe extérieure d’hydrogène-hélium. Les couches restantes se situent dans des limites assez strictes de taille et de masse. Cela s’explique par le fait que les réactions thermonucléaires se succèdent à partir d’un certain stade critique. C’est pourquoi les explosions des étoiles de classe Ic et Ib sont si similaires. Leur luminosité maximale est d’environ 1,5 milliard de fois celle du Soleil. Elles atteignent cette luminosité en 2 à 3 jours. Ensuite, leur luminosité diminue d’un facteur de 5 à 7 en un mois et décroît lentement au cours des mois suivants.

Les supernovae de type II avaient une coquille d’hydrogène et d’hélium. En fonction de la masse de l’étoile et d’autres caractéristiques de l’étoile, cette enveloppe peut avoir différentes limites. D’où la grande diversité des caractéristiques des supernovae. Leur luminosité peut varier de quelques dizaines de millions à quelques dizaines de milliards de luminosités solaires (à l’exclusion des sursauts gamma — voir plus loin). Et la dynamique du changement de luminosité a un caractère très différent.

La transformation d’une naine blanche

Supernova de type Ia

Les supernovae de classe Ia constituent une catégorie particulière de supernovae. C’est la seule catégorie de supernovae qui peut se produire dans les galaxies elliptiques. Cette caractéristique suggère que ces éruptions ne sont pas le produit de la mort de supergéantes. Les supergéantes ne vivent pas assez longtemps pour voir leurs galaxies «vieillir», c’est-à-dire devenir elliptiques. En outre, toutes les éruptions de cette classe ont pratiquement la même luminosité. Cela fait des supernovae de type Ia les «bougies standard» de l’univers.

Les supernovae de type Ia, quant à elles, se produisent selon un schéma nettement différent. Comme nous l’avons vu précédemment, ces explosions sont quelque peu similaires aux novae. Un schéma de leur origine suggère qu’elles naissent également dans le système proche d’une naine blanche et de son étoile compagnon. Cependant, contrairement aux nouvelles étoiles, une détonation d’un type différent et plus catastrophique se produit ici.

Au fur et à mesure qu’elle «dévore» son compagnon, la masse de la naine blanche augmente jusqu’à ce qu’elle atteigne la limite de Chandrasekar. Cette limite, approximativement égale à 1,38 masse solaire, est la limite supérieure de la masse de la naine blanche, après quoi elle devient une étoile à neutrons. Un tel événement s’accompagne d’une explosion thermonucléaire avec un énorme dégagement d’énergie, plusieurs ordres de grandeur plus important qu’une nouvelle explosion normale. La valeur presque invariable de la limite de Chandrasekar explique la faible différence de luminosité entre les différentes éruptions de cette sous-classe. Cette luminosité représente près de 6 milliards de fois la luminosité solaire, et sa dynamique est la même que pour les supernovae des classes Ib, Ic.

Explosions d’hypernovae

Les hypernovae sont des éruptions dont l’énergie est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des supernovae typiques. En d’autres termes, il s’agit essentiellement d’hypernovae, c’est-à-dire de supernovae très lumineuses.

En règle générale, les hypernovae sont considérées comme l’explosion d’étoiles supermassives, également appelées hypergéantes. La masse de ces étoiles commence à 80 et dépasse souvent la limite théorique de 150 masses solaires. Il existe également des versions selon lesquelles les étoiles hypernovae peuvent être formées par l’annihilation d’antimatière, la formation d’étoiles de quarks ou la collision de deux étoiles massives.

Supernova GRB 080913

Les hypernovae sont remarquables parce qu’elles sont la cause principale des événements les plus énergétiques et les plus rares de l’univers : les sursauts de rayons gamma. Les sursauts gamma durent de quelques centièmes de seconde à plusieurs heures. Mais le plus souvent, ils durent une ou deux secondes. Pendant ces secondes, ils émettent une énergie similaire à celle du Soleil pendant les 10 milliards d’années de sa vie ! La nature des sursauts gamma est encore largement remise en question.

Les progéniteurs de la vie

Malgré leur caractère catastrophique, les supernovae peuvent être considérées à juste titre comme les progéniteurs de la vie dans l’Univers. La puissance de leur explosion pousse le milieu interstellaire à former des nuages de gaz et de poussières et des nébuleuses, dans lesquels naissent ensuite des étoiles. Une autre caractéristique est que les supernovae saturent le milieu interstellaire en éléments lourds.

Ce sont les supernovae qui produisent tous les éléments chimiques plus lourds que le fer. En effet, comme nous l’avons vu précédemment, la synthèse de ces éléments nécessite de l’énergie. Seules les supernovae sont capables de «charger» des noyaux composites et des neutrons pour la production énergivore de nouveaux éléments. L’énergie cinétique de l’explosion les disperse dans l’espace avec les éléments formés à l’intérieur de l’étoile explosée. Ces éléments comprennent le carbone, l’azote et l’oxygène, ainsi que d’autres éléments sans lesquels la vie organique est impossible.

Supernova Observations

Supernova SN 1987A

Supernova explosions are extremely rare phenomena. In our galaxy, which contains over a hundred billion stars, there are only a handful of outbursts per century. According to chronicles and medieval astronomical sources, only six supernovae visible to the naked eye have been recorded in the last two thousand years. Modern astronomers have never observed supernovae in our galaxy. The closest occurred in 1987 in the Large Magellanic Cloud, one of the satellites of the Milky Way. Each year, scientists observe up to 60 supernovae occurring in other galaxies.

It is because of this rarity that supernovae are almost always observed already at the time of the outburst. The events preceding it have almost never been observed, so the nature of supernovae is still largely mysterious. Modern science is not able to predict supernovae accurately enough. Any candidate star is only capable of erupting after millions of years. The most interesting in this regard is Betelgeuse, which has a very real possibility to illuminate the Earth’s sky in our lifetime.

Universal flares

Gamma-ray flare in galaxy 4C 71.07

Les explosions d’hypernova sont encore plus rares. Dans notre galaxie, un tel événement se produit une fois toutes les centaines de milliers d’années. Cependant, les sursauts gamma générés par les hypernovae sont observés presque quotidiennement. Ils sont si puissants qu’ils sont enregistrés depuis presque tous les coins de l’Univers.

Par exemple, l’un des sursauts gamma, situé à 7,5 milliards d’années-lumière, a pu être observé à l’œil nu. Survenant dans la galaxie d’Andromède, le ciel terrestre a été illuminé pendant quelques secondes par une étoile d’une luminosité équivalente à celle d’une pleine lune. Si cela s’était produit de l’autre côté de notre galaxie, un deuxième soleil serait apparu à l’arrière-plan de la Voie lactée ! Il s’avère que la luminosité de l’éclair est des quadrillions de fois supérieure à celle du Soleil et des millions de fois supérieure à celle de notre galaxie. Étant donné qu’il y a des milliards de galaxies dans l’Univers, il n’est pas étonnant que de tels événements soient enregistrés chaque jour.

L’impact sur notre planète

Il est peu probable que les supernovae puissent constituer une menace pour l’humanité moderne et affecter notre planète de quelque manière que ce soit. Même une explosion de Bételgeuse n’illuminerait notre ciel que pendant quelques mois. Cependant, elles ont certainement eu un impact décisif sur nous dans le passé. La première des cinq extinctions massives survenues sur Terre il y a 440 millions d’années en est un exemple. Selon une théorie, cette extinction a été provoquée par un sursaut gamma survenu dans notre galaxie.

Le rôle très différent des supernovae est plus remarquable. Comme nous l’avons déjà noté, ce sont les supernovae qui créent les éléments chimiques nécessaires à l’émergence de la vie basée sur le carbone. La biosphère terrestre ne fait pas exception à la règle. Le système solaire s’est formé dans un nuage de gaz contenant des fragments d’explosions passées. Il s’avère que nous devons tous aux supernovae notre émergence.

Documentation sur le sujet

Les supernovae ont en outre influencé l’évolution de la vie sur Terre. En augmentant le rayonnement de fond de la planète, elles ont forcé les organismes à muter. Il ne faut pas non plus oublier les grandes extinctions. Il est certain que les supernovae n’ont pas une seule fois «fait des ajustements» dans la biosphère terrestre. Sans ces extinctions globales, la Terre serait aujourd’hui dominée par des espèces très différentes.

L’échelle des explosions stellaires

Pour bien comprendre l’énergie des explosions de supernova, il faut se référer à l’équation d’équivalence de masse et d’énergie. Selon cette équation, chaque gramme de matière contient une quantité colossale d’énergie. Ainsi, 1 gramme de matière équivaut à l’explosion d’une bombe atomique lancée sur Hiroshima. L’énergie de la Tsar Bomba est équivalente à trois kilogrammes de matière.

Chaque seconde, lors des processus thermonucléaires à l’intérieur du Soleil, 764 millions de tonnes d’hydrogène sont transformées en 760 millions de tonnes d’hélium. En d’autres termes, chaque seconde, le Soleil rayonne une énergie équivalente à 4 millions de tonnes de matière. Seul un deux milliardième de l’énergie totale du Soleil atteint la Terre, soit l’équivalent de deux kilogrammes de masse. C’est pourquoi on dit que l’explosion de la Tsar Bomba était visible depuis Mars. Par ailleurs, le Soleil fournit à la Terre plusieurs centaines de fois plus d’énergie que l’humanité n’en consomme. En d’autres termes, pour couvrir les besoins énergétiques annuels de toute l’humanité moderne, il suffit de transformer en énergie quelques tonnes de matière.

Compte tenu de ce qui précède, imaginons qu’une supernova moyenne, à son apogée, «brûle» quatre milliards de tonnes de matière. Cela correspond à la masse d’un gros astéroïde. L’énergie totale d’une supernova est équivalente à la masse d’une planète ou même d’une étoile de faible masse. Enfin, un sursaut gamma crache une énergie équivalente à la masse du Soleil en quelques secondes, voire une fraction de seconde de sa vie !

Des supernovae si différentes

Le terme «supernova» ne doit pas être associé exclusivement à l’explosion d’étoiles. Ces phénomènes sont peut-être aussi divers que les étoiles elles-mêmes. La science n’a pas encore percé tous leurs secrets.

Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023