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Trous noirs et naines blanches : des rencontres explosives ?

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Que se passe-t-il quand une naine blanche passe trop près d'un trou noir dépassant les centaines de masses solaires ? D'après un ensemble de simulations numériques, il ne se produit rien de moins que l'explosion d'une supernova ! Ce genre d'explosion thermonucléaire atypique pourrait se produire dans les amas globulaires.

Les étapes de la simulation avec déformation de la naine blanche et formation d'un disque d'accrétion. Crédit : Santa Cruz University

Les explosions de supernovae liées aux naines blanches sont ordinairement le résultat de l'accrétion pas celles-ci du gaz arraché à une étoile compagne par des forces de marée. Au-delà d'une certaine augmentation de masse, précisément lorsque la masse de Chandrasekhar est dépassée, la naine blanche est alors le lieu d'une suite de réactions nucléaires qui s'allument à nouveau et produisent une explosion soufflant complètement l'étoile, ne laissant aucun résidu sous forme d'astres compacts, comme une étoile à neutrons ou un trou noir.

Dans les produits de l'explosion se trouve alors un isotope du nickel (56Ni) qui se désintègre rapidement en isotope du cobalt (56Co) puis enfin en fer (56Fe). L'énergie libérée fait briller les éjectas pendant plusieurs semaines alors que l'explosion elle-même n'aura duré que 10 secondes environ. On est alors en présence de ce qu'on appelle une supernova de type I. Dans certains cas, on soupçonne que ce type de supernova, avec une courbe de variation de luminosité bien caractéristique, peut aussi se produire lorsque deux naines blanches entrent en collision.

D'hypothétiques trous noirs d'environ 1.000 à 100.000 masses solaires

C'est un autre scénario possible que viennent d'explorer Enrico Ramirez-Ruiz, professeur assistant d'astronomie et d'astrophysique à l'Université de Santa Cruz (Californie), et Stephan Rosswog, de l'Université Jacobs à Bremen en Allemagne.

Depuis quelques années, on soupçonne la présence dans l'Univers de ce qu'on appelle des trous noirs de masses intermédiaires. Ces astres dépasseraient plusieurs centaines de masses solaires, et ne peuvent donc pas être produits par l'explosion des supernovae de type II, mais resteraient au-dessous du million de masses solaires. En 2004, un candidat dont la masse est estimée à 1.300 masses solaires a été détecté à 3 années-lumière de Sagittarius A*.

L'existence de tels trous noirs est difficile à justifier théoriquement, mais il pourrait s'en produire par effondrement gravitationnel à l'intérieur d'amas stellaires relativistes comme un des collaborateurs de Yakov Zel'dovich, Bisnovatyi-Kogan, l'a proposé à plusieurs reprises. On devrait donc s'attendre à en trouver dans les amas globulaires et l'étude de la dynamique stellaire des gaz d'étoiles composant ceux-ci a en effet montré que, dans certains cas, des observations pouvaient être interprétées par la présence d'un trou noir de masse intermédiaire.

En 2004, les satellites Chandra et XMM Newton ont peut-être observé la disruption d'une étoile par un trou noir supermassif de plusieurs millions de masse solaire dans la galaxie RXJ1242-11. Le processus, ici avec une étoile normale, est à comparer avec celui proposé avec naine blanche. Notez en particulier la déformation de l'étoile en forme de crêpe . Crédit : Nasa/CXC/M. Weiss; X-ray : Nasa/CXC/MPE/S. Komossa et al.; Optical : ESO/MPE/S. Komossa

Une simulation longue et complexe

Les deux chercheurs, américain et allemand, ont alors entrepris d'étudier à l'aide d'une simulation ce qui se passait lorsqu'une naine blanche d'une masse de 0,2 fois celle du Soleil passait assez près d'un trou noir intermédiaire de 1.000 masses solaires.

Comme le montre celle-ci, les forces de marée déforment la naine blanche pour lui donner un aspect de crêpe alignée dans le plan de l'orbite initial de la naine blanche autour du trou noir. La très forte compression le long d'un des axes de la naine blanche crée les conditions d'augmentation de température favorables à un redémarrage des réactions nucléaires dans celle-ci. Une explosion se produit alors qui, combinée à l'action des forces de marée, provoque la disruption de la naine blanche en une fraction de seconde.

Plus de la moitié de la masse de l'étoile est éjectée au loin mais le reste se mets à spiraler en direction du trou noir pour former un disque d'accrétion. Ainsi, une intense émission de rayons X ne tarde pas à se produire juste après l'explosion, fournissant une signature caractéristique de ce type de supernova et de la présence d'un trou noir de masse au moins de l'ordre de celle d'un trou noir intermédiaire, seul capable de produire ce genre de phénomène.

Bien que 100 fois moins fréquent que les supernova de type I habituelles selon l'estimation des chercheurs, ce nouveau genre de supernova devrait pouvoir être détecté par le satellite Chandra ou le Large Synoptic Survey Telescope (LSST) consacré à la recherche des supernovae à partir de 2013.

Les images du processus fournies par la simulation durent moins d'une minute, mais elles ont nécessité plusieurs semaines de calculs sur un superordinateur et elles prennent en compte la physique nucléaire, la relativité générale et l'hydrodynamique des gaz.

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