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Nous allons voir mourir le Soleil !

lundi 25 mars 2013, par Robert Paris

Nous allons voir mourir le Soleil !

Il devrait bientôt être possible à des Humains de voir mourir le Soleil mais il ne s’agit bien entendu pas du nôtre, celui de notre système solaire. Il s’agit seulement d’un soleil, c’est-à-dire d’une étoile, et pas du Soleil !

C’est l’étoile Bételgeuse dans la constellation une supergéante rouge de la constellation d’Orion, située entre 430 et 640 années-lumière qui est en train de mourir à vue d’œil, ce qui signifie qu’elle est sans doute déjà morte mais qu’il faudra encore du temps pour que les images nous en parviennent ainsi que les informations lumineuses.

Bételgeuse est tellement volumique que, si Bételgeuse était au centre du système solaire, son rayon s’étendrait entre l’orbite de Mars et celle de Jupiter. Si celle-ci explose en supernova, elle sera visible de la terre, même à midi, pendant plusieurs jours, et nous verrions l’événement avec 430 années de retard.

Par contre, si Bételgeuse est morte il y a environ 429 ans, ce qui semblerait le cas, nous allons bientôt assister à la mort d’un soleil et en recevoir, à distance, les effets…

Il y a déjà de quoi faire frémir et passionner…

Cette supergéante rouge est environ 1 000 fois plus grosse que le Soleil et rayonne plus que 100 000 Soleils réunis. Ces caractéristiques montrent clairement que l’on assiste à la fin de vie d’une étoile. Avec un âge de seulement quelques millions d’années, Bételgeuse est vouée à exploser en supernova qui sera facilement visible depuis la Terre même en plein jour, d’ici à quelques milliers d’années. Ses panaches atteignent une taille impressionnante équivalente à la taille du Système solaire entier. L’ESO et l’observatoire de Paris ont, en juillet 2009, obtenu des images d’une précision inégalée de la géante rouge en utilisant le Very Large Telescope basé au Chili.. De plus, les recherches de Keiichi Ohnaka ont aussi montré une gigantesque bulle bouillonnante de matière sur la surface de Bételgeuse. De telles bulles seraient dues à d’énormes mouvements de convection de gaz ayant lieu à l’intérieur de l’étoile, comme de l’eau bouillant dans une casserole..

Bételgeuse serait donc en train de parcourir la dernière étape de sa vie avant l’explosion en tant que supernovae comme toutes les géantes rouges.

Les supernovas sont des événements rares à l’échelle humaine : leur taux est estimé à environ une à trois par siècle dans notre Voie lactée. Le processus initiant une supernova est extrêmement bref : il dure quelques millisecondes. Quant au phénomène de la supernova elle-même, il peut durer plusieurs mois. La matière expulsée par une supernova s’étend dans l’espace, formant un type de nébuleuse appelé rémanent de supernova.

L’explosion de Bételgeuse signifiera l’émission brutale d’environ dix puissance quarante six joules de neutrinos, ce qui est considérable.

Une supernova peut résulter de deux types d’événements très différents :

• l’explosion thermonucléaire d’une naine blanche à la suite d’une accrétion de matière arrachée à une étoile voisine (voire une collision avec celle-ci) qui explose complètement (supernova dite thermonucléaire) ;

• l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive (supernova dite à effondrement de cœur). Cet effondrement se produit lorsque le cœur de l’étoile est constitué de fer. Cet élément étant le plus stable, sa fusion ou sa fission, consomme de l’énergie au lieu d’en produire. Quand ce cœur de fer est formé, l’étoile n’a plus de source d’énergie engendrant une pression de radiation suffisante pour soutenir les couches supérieures, qui écrasent alors le cœur : le cœur de l’étoile se comprime et les noyaux de fer sont alors dissociés, les protons capturant les électrons pour former des neutrons. Ce nouveau cœur de neutrons, beaucoup plus compact, est alors capable de résister à la compression des couches externes par la pression de dégénérescence quantique, ce qui arrête brutalement leur effondrement. L’énergie dégagée par les couches internes tombant vers le centre produit une onde de choc qui « souffle » les couches extérieures de l’étoile, formant le gaz du rémanent de la supernova.

Dans le cas de Bételgeuse, il s’agit du deuxième cas…

La phase ultime de la vie d’une étoile massive (plus de 8 masses solaires) commence après que le cœur de fer et de nickel-56 s’est construit par phases successives de réactions de fusion nucléaire. Ces éléments étant les plus stables, les réactions de fusion, comme de fission nucléaire du fer consomment de l’énergie au lieu d’en produire. Privé de sa source d’énergie, le cœur devient incapable de supporter le poids des couches externes : il commence à se contracter. Il atteint (ou a déjà atteint) la densité à laquelle la pression de dégénérescence des électrons domine ( 1 tonne/cm3). La couche enserrant directement le cœur devenu inerte continue cependant à produire du fer et du nickel à la surface du cœur dont la masse continue ainsi d’augmenter jusqu’à atteindre la « masse de Chandrasekhar » (environ 1,4 masses solaires). À cet instant, la pression de dégénérescence des électrons est dépassée et une phase de neutronisation de quelques secondes conduit à l’effondrement du cœur. Les électrons sont capturés par les protons, engendrant un flux massif de neutrinos électroniques, et transformant le cœur en une étoile à neutrons de 10-20 km de diamètre et de la densité d’un noyau atomique (> 100 millions de tonnes/cm3).

C’est cette contraction gravitationnelle du cœur en neutronisation et celles des couches internes adjacentes qui dégagent toute l’énergie de l’explosion de la supernova. C’est une explosion due au dégagement d’énergie du potentiel gravitationnel qui augmente durant cet effondrement, dépassant de plusieurs fois tout le potentiel nucléaire de l’hydrogène au fer ( 0,9 % de l’énergie de masse). Cette énergie est transmise vers l’extérieur selon différents phénomènes tels que l’onde de choc, l’échauffement de la matière, et surtout le flux de neutrinos.

Lorsque la pression thermique atteint le niveau de dégénérescence des nucléons, les couches externes du cœur rebondissent à 10-20 % de la vitesse de la lumière. L’onde de choc du rebond se propage vers les couches extérieures et entre en compétition avec la matière chutant vers l’intérieur, de telle façon qu’elle se stabilise vers 100-200 km du centre. Les neutrinos diffusent hors du cœur en quelques secondes et une fraction d’entre eux chauffent la zone du manteau située à l’intérieur de l’onde de choc (appelée « région de gain »). Le reste est libéré dans l’espace, emportant 99 % de l’énergie totale de la supernova. On pense de nos jours, que l’apport d’énergie à l’onde de choc par le chauffage de la région de gain dû aux neutrinos est l’élément clé responsable de l’explosion de la supernova.

Dans les étoiles massives, pendant les derniers instants de l’explosion, les hautes températures (> 109 K) permettent le « processus r » : une grande densité de neutrons (1020 n/cm3) fait que leur capture par les noyaux est plus rapide que la décroissance radioactive β-), car cela se produit en quelques secondes. C’est ainsi que se produisent des isotopes riches en neutrons de numéro atomique bien supérieur à celui du fer (N = 26) et que s’explique l’existence de noyaux radioactifs lourds dans l’Univers comme’ le thorium et l’uranium, toujours présents sur Terre puisque leurs demi-vies sont de l’ordre de l’âge du système solaire.

On devrait voir à l’œil nu l’explosion pendant plusieurs semaines. Cependant, il n’y a pas vraiment de quoi donner un frisson de peur : son explosion ne devrait donc pas provoquer beaucoup plus qu’un point lumineux visible la nuit, qui produira "un peu moins de lumière que la Lune pendant deux semaines suivies de quelques semaines de lumière faiblissante", disent les spécialistes. Aucune « fin du monde » à craindre de ce côté-là !

Les supernovas sont des événements spectaculaires mais rares. Plusieurs ont été visibles à l’œil nu depuis l’invention de l’écriture, et le témoignage de leur observation est parvenu jusqu’à nous :

• 1006 - Observation de la supernova la plus brillante observée sur Terre durant les temps historiques (SN 1006), dans la constellation du Loup.

• 1054 - La formation de la Nébuleuse du Crabe, dans la constellation du Taureau, observée par des astronomes Chinois (SN 1054).

• 1181 - Supernova moins connue dans la constellation de Cassiopée (SN 1181).

• Vers 1300 - Une supernova ayant engendré le rémanent RX J0852.0-4622 (ou Vela Junior) s’est probablement produite, mais semble ne pas avoir été observée, malgré une certaine proximité avec la Terre.

• 1572 - Supernova dans Cassiopée, observée par Tycho Brahe, dont le livre De Nova Stella sur le sujet nous donna le mot « nova » (SN 1572).

• Vers 1680, l’explosion d’une autre supernova aurait pu être observée sur Terre, mais on en trouve aucune mention dans les travaux des astronomes de l’époque. Ce n’est qu’au milieu du XXe siècle qu’a été rétrospectivement identifié le rémanent, Cassiopeia A, dont l’âge est estimé légèrement supérieur à trois siècles. La raison pour laquelle cette supernova est demeurée invisible n’est pas connue actuellement, mais est probablement due au fait que l’absorption du milieu interstellaire situé entre la supernova et la Terre était importante, allié au fait que cette supernova était sans doute sous-lumineuse, à l’instar de Cassiopée A.

• 1885 - Première supernova de l’ère télescopique, observée dans la galaxie d’Andromède et visible à l’œil nu (SN 1885A).

• 1987 - Supernova 1987A Ce fut la première opportunité pour les théories modernes sur la formation des supernovas d’être testée face aux observations.

• 2006 - Supernova SN 2006gy dans la galaxie NGC 1260 située à 240 millions d’années-lumière de la Terre observée par R. Quimby et P. Mondol et étudiée en utilisant les télescopes Keck à Hawaii et Lick sur le Mont Hamilton en Californie. Sa luminosité dépassait d’environ cinq fois celle de toutes les supernovas observées à ce jour et sa durée était de 70 jours. Cette supernova pourrait être un exemple de supernova par production de paires, uniquement issue d’étoiles extrêmement massives, désormais très rares dans l’Univers.

• 2007 - Supernova SN 2007bi dans une galaxie naine riche en étoiles très massives, était une étoile de plus de 200 masses solaires riche en oxygène et pauvre en métaux. Sa luminosité dépasse toutes les supernovas observées à ce jour et sa durée fut de 550 jours. Cette supernova semble être un autre exemple de supernova par production de paires qui aurait produit de l’antimatière, cause de son explosion.

• 2008 - Supernova SN 2008D dans la galaxie NGC 2770, située à 88 millions d’années-lumière de la Terre, observée le 9 janvier 2008 par une équipe internationale d’astronomes dirigée par Alicia Soderberg. C’est la première fois qu’une supernova est photographiée au moment même où commençait son explosion.

• 2011 - Dans la galaxie M51, située à 31 millions d’années-lumière de la Terre, découverte le 31 mai 2011 par l’astronome amateur français Amédée Riou, d’une étoile de 8 masses solaires ayant explosé en supernova de type II. Une deuxième supernova, dans la galaxie M101, de type Ia, a été découverte par l’équipe du Palomar Transient Factory, le 24 août.

L’arrivée sur Terre de l’information que Bételgeuse devient une supernova est possible à tout moment, donner une valeur précise à " à tout moment" reste pour l’instant de la pure spéculation, hors de portée des modèles.

Par contre on le saura avec quelques heures d’avance sur l’arrivée du choc à la surface de l’étoile grâce aux neutrinos, les détecteurs réagiront, restera à savoir d’où ils viennent (de quelle étoile) pour avoir tout nos télescopes braqués sur le bonne étoile, pour voir l’explosion crever la surface de l’étoile. Bételgeuse est assez proche et assez grosse pour que l’on distingue des détails à sa surface.

L’étoile géante de la constellation d’Orion a une fin de vie agitée. En l’observant avec le Very Large Telescope (8,2 m de diamètre) les astronomes ont découvert qu’elle éjectait d’énormes quantités de gaz dans l’espace. Grâce à une série d’images prises en janvier 2009 à l’aide d’un dispositif d’optique adaptative, qui élimine le brouillage induit par l’atmosphère terrestre, les chercheurs ont non seulement révélé la surface de l’étoile mais aussi un gigantesque panache gazeux qui s’étend sur 4,5 milliards de km, soit la distance qui sépare Neptune du Soleil.

Agée de quelques millions d’années, Bételgeuse est une géante rouge qui peut exploser à tout moment en supernova. En rayonnant autant que 100000 soleils réunis, il est normal qu’elle perde une bonne partie de son enveloppe dans l’espace. « La surprise vient du fait que cette éjection n’est pas uniforme, commente Pierre Kervella, de l’Observatoire de Paris-Meudon, et qui a dirigé les observations ». L’hypothèse la plus probable pour expliquer cette bizarrerie est que la matière serait principalement éjectée au-dessus de bulles convectives (de gros bouillonnements) qui agitent la surface de Bételgeuse.
Cette idée est d’ailleurs soutenue par une autre observation réalisée au VLT, mais cette fois avec l’interféromètre (appelé VLTI) : au cours des mois, des mouvements de matière ont été remarqués à la surface de l’étoile. Ces mouvements seraient dus à l’évolution de vastes cellules de convection.

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