204 – les supernovæ ne peuvent pas exister !!

Il règne aujourd’hui une très grande confusion pour expliquer le fonctionnement des supernovæ. Celles-ci sont censées synthétiser les éléments lourds et aboutir in fine aux étoiles à neutrons et pulsars. Il s'agit pour les théoriciens de dénouer la contradiction qui consiste à préserver le cœur de l’étoile et à hausser sa température au point de la faire exploser pour évacuer sa couronne. Mais au terme de cette explosion doit demeurer un astre hyper dense et hyper chaud, une étoile à neutrons et/ou pulsar.

L’ARTICLE

1) Dans les étoiles de grande masse, la température centrale s’élève davantage, alors que la densité reste plus faible. Ces deux paramètres jouent dans le même sens : le cœur n’est pas dégénéré. Aussi, toute élévation de la température due à la contraction provoque une augmentation de la pression, dans un gaz qui reste parfait. Nous avons déjà vu qu’il n’y avait pas de flash de l’hélium, puisque celui-ci se produit dans les étoiles de faible masse à cause de la dégénérescence du cœur.

2) Si nous considérons une étoile de masse juste assez grande pour éviter la dégénérescence à la fin de la fusion de l’hydrogène (plus de 15 masses solaires), nous n’aurons pas de flash de l’hélium. Celui-ci s’allumera calmement, et brûlera jusqu’à disparition. A ce moment-là, le cœur sera constitué d’un mélange en parts à peu près égales de carbone et d’oxygène. Les réactions de fusion de l’hélium s’arrêtant par manque de carburant, le cœur va se contracter. La masse étant forte, la densité sera assez forte pour provoquer la dégénérescence du cœur de carbone. Et ce qui se passe pour l’hélium à masse plus faible, va se produire ici avec le carbone : déclenchement des réactions de fusion du carbone, qui avec l’hélium restant produit encore de l’oxygène, et du magnésium. Le cœur étant dégénéré, l’augmentation de température produite se fait à pression constante. Les réactions s’emballent, et en quelques secondes l’étoile produit énormément d’énergie. Cette explosion se nomme naturellement flash du carbone, ou flash de l’oxygène puisque les deux sont concernés, ou encore détonation du carbone.

Contrairement au flash de l’hélium, le flash du carbone est certainement destructeur de l’étoile complète. Toute sa matière doit être dispersée dans l’espace, dans une explosion de supernova. Ainsi doivent finir les étoiles de masse intermédiaire.

3) Si la masse de l’étoile est plus importante, le cœur ne sera pas dégénéré. Alors, l’allumage du carbone se fera calmement, sans explosion. Bien sûr, c’est le centre de l’étoile qui est concerné. Au-dessus, la température sera suffisante, dans une coquille d’hélium, pour la fusion de celui-ci. Plus haut encore, une autre coquille d’hydrogène fusionnera pour donner de l’hélium.

Pour une étoile très massive, la dégénérescence du cœur ne se réalisera jamais, même pour les plus hautes températures. Il n’y aura jamais d’explosion lors du déclenchement des réactions de fusion, et le cœur de l’étoile prendra une structure en pelure d’oignon :

COMMENTAIRES

Si nous comprenons bien, on ne peut expliquer la présence d’une étoile à neutrons et d’un pulsar pour les étoiles de ces valeurs de masse, celles-ci disparaissent dans l’explosion. Pour les autres, elle poursuivront leur vie sans exploser !

SUITE DE LARTICLE

4) L’explication pour un autre type de supernova met en scène une naine blanche. Dans les phases précédentes de son évolution, elle a transformé son hydrogène en hélium, puis en carbone et oxygène. Sa masse est insuffisante pour provoquer la fusion du carbone avant que le cœur ne soit dégénéré. Aussi, la pression de dégénérescence bloque la contraction, l’élévation de température, et par suite toute réaction de fusion.

Donc, il doit y avoir une explosion initiale, suivie d’une décroissance radioactive. D’où vient l’explosion ?

Nous avons vu un cas semblable, dans des étoiles de masse plus importante : la contraction s’est poursuivie, provoquant l’élévation de température dans le milieu dégénéré, donc sans augmentation de pression. Il s’en est suivi la fusion explosive du carbone (détonation du carbone), qui détruit l’étoile.

Si, pour une raison quelconque, une naine blanche démarre les réactions de fusion du carbone, le scénario ci-dessus se produira, et entraînera l’explosion complète de l’étoile. Tout semble indiquer que c’est effectivement ce qui se passe.

5) Un autre modèle met en jeu un couple composé d’une naine blanche et d’une géante rouge. Les deux étoiles sont nées en même temps, et ont le même âge. La naine blanche est plus évoluée, donc elle est issue d’une étoile plus massive (évolution plus rapide). Elle a perdu ses couches extérieures, dont une partie a pu être récupérée par le compagnon. Ce dernier est maintenant devenu une géante rouge, et emplit son lobe de Roche. De la matière, à la surface du lobe de Roche, tombe sur la naine blanche, augmentant sa masse. Lorsque celle-ci dépasse la masse de Chandrasekhar, la pression des électrons dégénérés ne suffit plus à maintenir l’équilibre.

Le cœur s’effondre, provoquant une brusque remontée de la température dans le milieu dégénéré, et provoque l’explosion.

Ce modèle donne une bonne explication du phénomène observé, mais souffre d’un appui observationnel insuffisant. Plusieurs points demeurent obscurs :

-  Toutes les SN Ia ne sont pas strictement identiques. Les vitesses d’éjection sont assez variables, ainsi que la masse de Ni 56 produite.

-   On observe quelques SN Ia dans des populations jeunes, de moins d’un milliard d’années.

- Le compagnon qui, dans le modèle, fourni la matière ajoutée, n’a jamais été directement observé. L’accrétion de matière doit produire un rayonnement X, mais celui-ci est trop faible pour être détectable à l’heure actuelle.

6) Commet expliquer la formation des étoiles à neutrons ?

Le cœur de fer se contracte, et la température monte peu à cause des pertes neutroniques. Température faible, et densité croissante entraînent finalement la dégénérescence du cœur (pas toute la masse de fer, mais la partie centrale). Le cœur de cette étoile ressemble à une naine blanche : sa stabilité est de même nature. Mais la fusion du silicium continue autour, et augmente la masse de fer, qui atteint la limite de Chandrasekhar. C’est le moment de la rupture. La masse volumique est de l’ordre de 10⁷ g cm^-3 (à peu près 10 fois celle d’une naine blanche).

Le processus URCA transforme alors, à l’intérieur des noyaux de fer, les protons en neutrons, par capture électronique. La disparition de nombreux électrons diminue la pression quantique qu’ils produisent. La gravité l’emporte alors, et la contraction s’accélère. On voit bien que ce mécanisme une fois amorcé, se renforce lui-même. Comment l’arrêter ?

La contraction rapide amène la masse volumique à 10¹¹ g cm^-3 (multipliée par 10.000). Les atomes sont alors si proches les uns des autres, que même les neutrinos n’arrivent plus à leur échapper, et se trouvent relativement piégés à l’intérieur du cœur. Le refroidissement n’est donc plus assuré. De plus, l’absorption des neutrinos modifie la masse de Chandrasekhar, qui ne vaut plus maintenant que 0,8 M_⊙. Les neutrinos produisent une pression, qui s’ajoute à celle des électrons.

Pour l’instant, rien n’arrête la contraction, et les noyaux sont de plus en plus proches les uns des autres. La masse volumique atteint 10¹⁵ g cm^-3, valeur que l’on mesure à l’intérieur des noyaux atomiques ! Ils se touchent donc, il n’y a plus de vide entre eux. Il est facile de comprendre que les propriétés de la matière sont changées : les interactions entre les noyaux ne sont plus négligeables. L’effondrement s’est produit en 0,1 seconde ! Et la masse volumique a été multipliée par 10⁸ = 100 millions !

Maintenant, il va être très difficile de comprimer davantage le cœur, puisqu’il n’y a plus d’espace libre entre les noyaux. La contraction est donc stoppée brutalement.

Que sont devenues les couches au-dessus du cœur ?

L’arrêt de l’effondrement ne peut se propager vers l’extérieur qu’à la vitesse du son (puisque c’est une onde de compression). La chute de l’enveloppe est-elle subsonique ou supersonique ? La réponse est plus complexe : elle est subsonique près du cœur, et supersonique plus loin. Alors, l’onde d’arrêt se propage normalement jusqu’à cette frontière, et là produit une onde de choc.

Quelle est l’énergie dissipée par le choc ? Les théoriciens s’accordent sur une valeur E de l’ordre de 2 ou 3 10⁵¹ ergs.

Ce qui pose un problème difficile…

On s’attend à ce que cette énergie projette les couches extérieures dans l’espace, et assure la luminosité de la supernova. Or l’énergie de choc a été produite par le centre de l’étoile, une masse de fer de l’ordre d’une demi-masse solaire. Mais l’étoile contient une masse solaire de fer en tout. Donc l’énergie du choc doit traverser une demi-masse solaire de fer.

Dans les conditions où ce fer se trouve, les photons qui transportent l’énergie sont absorbés, et brisent les atomes de fer : c’est la photodissociation du fer. On montre que seulement 1/10^e de masse solaire de fer suffisent pour absorber toute l’énergie produite par le choc… Si bien que, aussi spectaculaire qui puisse être l’effondrement, il est loin de suffire à expliquer l’éclat de la supernova. Il n’atteint que le centième de l’énergie requise.

Ce problème a agité la communauté astrophysique pendant quelques années ! Il n’est pas totalement résolu… Cependant, les innombrables travaux qui ont été effectués, en particulier des simulations numériques précises, ont montré l’impossibilité de justifier la quantité d’énergie nécessaire pour l’explosion.

Donc, les supernovæ ne peuvent pas exister !!

Et pourtant, on les observe

COMMENTAIRES

Ces différentes descriptions se passeraient de commentaires et expliquent à elles seules que le modèle est inadapté pour expliquer les supernovæ. L’origine des problèmes rencontrés par l’astrophysique standard est double : 1) la croyance selon laquelle une étoile fonctionne selon le modèle de l’effondrement gravitationnel 2) L’hypothèse que pulsars et étoiles à neutrons sont issus d’astres vieux en fin de vie.

Notre modèle renverse complètement la perspective et explique parfaitement les observations et les types d’astres. De fait, la majorité de types de supernovæ ne résultent pas de l’explosion d’étoiles mais sont le fait de l’hyper activité d’astres naissants fabriquant et évacuant les éléments qu’ils fabriquent eux-mêmes. Ceci explique la vitesse de rotation d’un pulsar tout autant que la température extrême des étoiles à neutrons.  Le cœur de ces étoiles est en effet extrêmement dense puisque ce qui est fabriqué en premier, ce sont les éléments lourds. En conséquence, la couronne d’hydrogène n’existe pas encore et n’aura pas à être évacuée. La preuve en est apportée puisqu’on observe quelques SN Ia dans des populations jeunes, de moins d’un milliard d’années, ce qui signifie que nous ne pouvons avoir affaire à un astre en fin de vie.