Mise à jour le 22 Juin 2009
                                                                                                                                                    
     
CONFÉRENCE de Nicolas PRANTZOS
Astrophysicien IAP
 "SUPER NOVÆ   MORT EXPLOSIVE DES ÉTOILES"
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI
 
Le Samedi 20 Juin 2009 à 15H00
à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.
 
Photos : JPM pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire
(Nicolas Prantzos a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en pdf) elle est disponible pour les membres de la SAF à l'aide du mot de passe de la commission sur le site de la SAF http://www-cosmosaf.iap.fr/SN_SAF_2009_2.pdf ).
 
 
BREF COMPTE RENDU
 
 
 
 
Le CR sera bref, étant donné que la présentation est disponible.
 
 
 
Nicolas Prantzos est d'origine Grecque, maîtrise de physique d'Athènes , DEA d'astrophysique à Paris VII, puis un doctorat d'état en sciences aussi à Paris VII, sous la direction d'Hubert Reeves.
 
Il est Directeur de recherche au CNRS et basé à l'IAP (Institut d'Astrophysique de Paris).
Ses centres d'intérêt :
Astrophysique Théorique -- Astronomie de raies gamma -- Nucléosynthèse explosive -- Évolution et nucléosynthèse stellaire -- Formation des noyaux plus lourds que le fer -- Évolution chimique Galactique -- Évolution des galaxies spirales  -- Diffusion de la science / Popularisation de l'astronomie
 
Il a écrit de nombreux livres dont nous parlerons plus loin.
 
 
 
 
 
Les super novæ historiques :
 
Il n'y en a pas eu beaucoup dans notre Galaxie, vues par les hommes:
 
1006 (probablement la plus brillante) ;
1054 (Le Crabe, curieusement non observée en Occident, longue : 2 ans!) ;
1181 (vue aussi uniquement en Asie, a duré 6 mois);
1572 (Tycho Brahé, celle qui a tout déclenché et changé la face du monde : le ciel n'était plus immuable!) ;
1604 (Kepler, a eu aussi la chance de voir cette SN, et pourtant il était….myope) ;
1667 (?) Cas A (on a peu de traces de son observation et on n'est pas sûr de la date).
 
Donc aucune SN visible dans notre Voie Lactée depuis plus de 4 siècles, jusqu'au jour où, en 1987…. Mais on en parlera plus tard.
 
 
L'énergie des SN.
 
 
Les SN quand elles se produisent donnent une courbe de lumière avec un maximum et cette luminosité décroît ensuite plus ou moins vite.
 
La luminosité maximum correspond à une énergie incroyable de 1042 erg/s, soit autant qu'une petite galaxie.
Rappel : 1 erg (ancien système d'unités CGS) = 10-7 Joule.
 
Le Joule : le travail d'une force d'un newton dont le point d'application se déplace d'un mètre dans la direction de la force.
C'est une unité extrêmement petite
Le Watt est une unité de puissance : c'est 1J par sec.
Le Watt/heure est une unité d'énergie ; 1Wh = 3600 J  : 1KWh = 3,6 MJ.
 
Donc notre pic d'énergie vaut en d'autres unités : 1035 W, n'est-ce-pas plus parlant? J'en doute, c'est un chiffre tellement énorme.
À titre de comparaison, la puissance de notre Soleil est approx de 4 1026 W, donc le pic est de l'ordre de 1 milliard de Soleils!!
 
L'énergie lumineuse, est de l'ordre de 1049 erg, soit 1042 J, autant que le Soleil en 100 millions d'années.
 
Mais quelle serait donc la source de cette énergie faramineuse?
 
 
·        Un effondrement gravitationnel de l'étoile; c'est l'hypothèse proposée par le célèbre Fritz Zwicky, à la forte personnalité en 1932 (c'est lui qui ajouta "super" à nova, il fit un malheur!)
·        Une explosion thermonucléaire proposée par F Hoyle et W. Fowler en 1964.
 
Qui avait raison? Les deux!! Ils correspondent en fait à deux concepts et à deux types différents de SN.
 
 
 
Il y a une différence de comportement entre petites et grosses étoiles à la fin de leur vie, quand elles ont épuisé leur carburant, l'Hydrogène.
 
 
CE QUI SE PASSE À L'INTÉRIEUR EN FIN DE VIE.
 
 
Intéressons nous aux étoiles massives et plus particulièrement à ce type de SN que l'on appellera plus tard de type II.
 
 
L'hydrogène, une fois consommé, l'étoile brûle en son centre des éléments de plus en plus lourds comme
L'Hélium, nécessite 200millions de degrés K;
Le Carbone; 1 milliard de degrés;
Le Néon et le Magnésium 1,5 milliards K;
L'Oxygène: 2 milliards K;
Le Silicium et Soufre, 4 milliards K.
Etc..
 
Structure en pelure d'oignon.
 
Mais au delà de un milliard de degré, de nouvelles particules entrent en jeu au cœur de l'étoile, comme les neutrinos.
 
 
 
 
 
 
Les neutrinos interagissent très peu (c'est d'ailleurs la difficulté de leur détection) et en s'échappant ils emportent avec eux une grande partie de l'énergie de l'étoile.
 
Pour compenser cette perte d'énergie, l'étoile se contracte de plus en plus, la gravité a gagné sur les réactions nucléaires; pour arriver enfin au Fer élément le plus stable de l'Univers, en effet toutes les réactions précédentes étaient exothermiques (fournissaient de la chaleur) alors que pour le Fer, la réaction est endothermique; les réactions s'arrêtent!
 
 
L'étoile qui avait peut être un rayon de l'ordre de 1000 rayons solaires (700.000km) possède maintenant un cœur de Fer de quelques milliers de km de rayon. L'étoile possède alors une structure en pelure d'oignon; mémoire de tous ses états antérieurs.
 
À chaque étape, la région où se produit les réactions nucléaires est de plus en plus petite, donc au cœur de l'étoile se trouve l'histoire la plus récente, contrairement à une carotte géologique.
 
 
Le cœur de Fer s'effondre et l'étoile meurt; elle explose ensuite en super nova.
 
 
 
 
 
 
 
Ce qui va donner ensuite l'explosion en Super Nova, on ne le sait pas bien encore de nos jours, de tels phénomènes complexes entrant en jeu.
 
Il s'en suit une description détaillée des phénomènes à l'intérieur de l'étoile après le Fer, que je reprends totalement de la présentation originale.
 
 
 
Le cœur de Fer commence à s'effondrer plus rapidement que le cœur externe.
 
 
La densité devient énorme, même les neutrons et neutrinos sont piégés.
 
Il y a neutronisation du cœur.
 
Puis la densité continue à augmenter atteignant les 100 millions de t/cm3, on est au niveau de la matière nucléaire.
La pression de la matière nucléaire est trop importante, le cœur externe continue de tomber, il se produit alors une onde de choc.
 
L'onde de choc perd de l'énergie et si le cœur est assez petit (1 à 2 Ms soit une étoile de approx 10Ms), elle peut faire exploser l'étoile, mais cela concerne peu d'étoiles. C'est l'explosion rapide (prompt explosion).
Les neutrinos commencent à s'échapper, et comme déjà dit, ils transportent beaucoup d'énergie.
Il y a explosion retardée. (delayed explosion).
 
 
Mais de nouvelles idées surgissent aussi comme les ondes acoustiques qui pourraient expliquer cette explosion.
 
 
 
LA NUCLÉOSYNTHÈSE EXPLOSIVE DANS LES SN.
 
 
 
 
L'onde de choc se propage vers la sortie (l'enveloppe externe de l'étoile) en chauffant au passage les différentes couches, et ceci en l'espace de quelques dixièmes de seconde.
 
Il y a éjection violente des couches de l'étoiles, et ensemencement de l'espace avec ces éléments lourds, notamment le Fer.
 
Mais en fait ce Fer n'est pas le cœur de l'étoile, il est produit par ces réactions nucléaires à partir du Nickel, suivant la formule écrite sur la diapo ci-contre.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Lors de ces réactions nucléaires se produisent beaucoup de neutrons qui vont être absorbés par les différents éléments du cœur au moment de l'explosion et donner naissance à des éléments encore plus lourds (jusqu'à la fin de la table de Mendeleïev).
 
C'est cette combustion nucléaire explosive qui fabrique tous ces composants plus lourds, sous l'effet de cette onde de choc par capture neutronique par exemple (un peu plus complexe que cela, il existe deux processus , le lent et le rapide)
 
Il restera au centre de l'étoile soit une étoile à neutrons soit un trou noir suivant la masse de départ.
 
 
 
ET ARRIVA L'ÉVÈNEMENT DE 1987 : LA PREMIÈRE SUPER NOVA DES TEMPS MODERNES.
 
 
Le 23 Février 1987, se produisit dans l'hémisphère Sud, une explosion énorme, une super nova venait d'exploser dans le nuage de Magellan, elle va être appelée SN 1987 A (elle est du type II, voir plus loin); c'est la première SN visible à l'œil nu depuis celle de Kepler de 1604.
 
Son étoile parente (on dit progéniteur) est une super géante bleue (rayon approx 40 R Solaire) et non pas une super géante rouge (1000 Rs), type d'étoile que l'on attendait.
 
 
 
En fait elle est passée par la phase géante rouge puis a perdu de la masse et est devenue une géante bleue, comme on le voit sur ce diagramme censé représenter l'évolution de cette étoile parent.
 
 
On a détecté les neutrinos correspondant à cette SN 2h20 avant l'apparition de l'explosion, c'était le temps nécessaire à l'onde de choc pour atteindre la surface à la vitesse de 3000km/s.
 
 
 
Détection par les Japonais dans le Super Kamiokande et par les Américains de l'IMB de Cleveland, de 20 neutrinos. On a pu remonter à l'énergie correspondante, elle était de l'ordre de 3 1053 erg!!! Cette énergie est 10.000 fois supérieure à l'énergie lumineuse
 
L'énergie dégagée par les neutrinos pendant l'explosion est équivalente à l'énergie lumineuse de toutes les galaxies.
 
 
L'étude de la décroissance de la luminosité de cette SN est la démonstration parfaite de la nucléosynthèse explosive : on y repère la raie du Co56 qui provient du Ni56 et qui mène au Fe56, suivant le timing suivant :
 
 
Ni56  (8,8jours)  à Co56  (113j) à Fe56
 
Et les autres radioactivités qui en suivirent :
Co57 et Ti44, dont on mesura aussi les périodes de désintégration.
 
 
Des simulations sur calculateurs géants ont aussi été faites pour modéliser ces explosions, comme par exemple, la simulation de K. Kifonidis du MPA de Garching près de Munich en Allemagne que l'on peut voir et télécharger.
 
Il existe aussi des simulations peut être plus performantes les SASI : Standing Accretion Shock Instability qui tiennent compte du fait que l'on se trouve dans une cavité.
 
 
 
Mais qu'est ce qui lui donne cette drôle de forme?
 
 
On pense que c'est du gaz un peu plus dense qui a été émis avant l'explosion (20.000 ans?) et qui est illuminé par les UV de la SN.
 
 
On pense maintenant que cette SN pouvait faire partie d'un système binaire d'étoiles.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LES DIFFÉRENTS TYPES DE SUPER NOVÆ.
 
 
La classe de SN va dépendre de la présence ou non de certains éléments dans leurs spectres au moment de l'explosion.
 
·        si H est présent ce sont des SN de type II
·        si H est absent, les SN sont de type I avec des sous groupes :
o       si présence de Si : type Ia
o       si présence d'He : type Ib
o       si absence d'He : type Ic
 
 
Les illustrations suivantes sont très parlantes pour se faire une idée des différentes SN.
 
 
 
En fait, ce qui est aussi important c'est de distinguer aussi le type d'explosion qui a généré la SN, on distingue alors :
 
·        Les SN Ia qui correspondent à l'explosion thermonucléaire d'une naine blanche qui a avalé son compagnon et dont la masse dépasse la limite de Chandrasekhar, rappelons que ce type de SN sert de "chandelles standard" ou de balises sur les routes de l'Univers.
·        Les SN II et autres types de I qui correspondent à l'effondrement gravitationnel d'une étoile très massive.
 
On remarque aussi que les SN Ia se trouvent dans tous les types de galaxies, alors que les autres ne se trouvent que dans les galaxies irrégulières et spirales.
 
 
Pour finir quelques détails sur ces deux types de SN en images :
 
 
 
 
 
Les super novæ de type Ia sont les principaux producteurs de Fer dans l'Univers, le Fer de notre sang provient de ces SN, nous sommes vraiment les enfants des super novæ!
 
 
 
 
Et en conclusion cette excellente diapo résumé des différentes SN.
 
 
Un souhait de Nicolas Prantzos : détecter une nouvelle Super Nova dans la Voie Lactée afin d'étudier ses neutrinos et ses ondes gravitationnelles.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nombreuses questions de la part de notre auditoire.
 
Merci Nicolas Prantzos et bonne chance dans la quête de nouvelles Super Novæ.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
Nicolas Prantzos a écrit de nombreux livres, en voici quelques uns
 
Voyages dans le futur au Seuil, cet ouvrage est en ré-édition en poche chez Pommier, et dont il s'inspirera pour une prochaine conférence à l'IAP.
Sommes nous seuls dans l'Univers, ouvrage collectif en Livre de poche et chez Fayard.
Naissance vie et mort des étoiles , ouvrage collectif, aux PUF.
En ré-édition aussi : Soleils éclatés les super novae  avec Th Montmerle  chez Belin
 
 
Sur le Net :
 
 
La nucléosynthèse par N Prantzos.
 
Les explosions de supernovae Une longue histoire sur le site de l'IAP.
 
Dossier sur les SN dans les astrofiles.
 
Journée Super Nova à l'IAP, CR sur ce site.
 
Les super novæ par N Rumiano, un classique.
 
La mort des étoiles par Jean-Pierre LUMINET
 
Tout sur la SN1987A
 
Une vue simple et accessible à tous sur les SN
 
L'évolution stellaire par le CLEA.
 
Vie et mort des étoiles, nucléosynthèse des éléments par l'Université de Caen :
 
La nucléosynthèse stellaire par cosmovisions.
 
 
 
 
Simulations d'explosions de SN par le Max Planck Institut.
 
Thermonuclear Supernovae  F. K. Röpke  du Max-Planck-Institut für Astrophysik
 
Three-dimensional simulations of Type Ia supernova explosions par le Max-Planck-Institut für Astrophysik avec vidéos de simulation.
 
 
 
 
Bon ciel à tous
 
 
Jean Pierre Martin  SAF Commission de Cosmologie
www.planetastronomy.com
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