Naissance, vie et mort des étoiles
Les supernovae, grandeurs et mystères





La mort violente des étoiles est à l’origine des éléments lourds qui nous constituent. Mais comment explosent-elles au juste ? Et quel est leur moteur intime ? Questions d’une brûlante actualité.

Les premières explosions d’étoiles enregistrées à partir du Moyen Âge remontent à 1006, 1054, 1181, 1572 et 1604. La supernova de l’an 1006 a brillé davantage que Vénus. Elle a été suivie pendant trois ans. Celle de 1054 s’identifie avec la nébuleuse du Crabe, dans la constellation du Taureau, photographiée presque mille ans plus tard par le Very Large Telescope européen du Chili. À la Renaissance, l’astronome danois Tycho Brahe a vu la "nova stella", étoile nouvelle, de 1572. Tandis que l’Allemand Johannes Kepler a assisté à son homologue de 1604. Les études physiques modernes ont démarré dans les années 1930. C’est le suisso-américain Fritz Zwicky qui a forgé le nom de supernova par allusion à la nova qui désigne des éruptions d'étoiles beaucoup moins énergétiques et violentes. En 1960, l’Américain William Fowler (futur prix Nobel 1983) et le Britannique Fred Hoyle ont élaboré les premiers modèles sérieux. Parallèlement à l'explosion extérieure, spectaculaire, ils invoquent une implosion du cœur de l’étoile et la destruction par le rayonnement intense des noyaux d’atomes de fer en purée de neutrons. En 1987 : la belle SN 1987A resplendit dans le Grand nuage de Magellan, galaxie satellite de la nôtre visible dans le ciel austral. Elle est visible à l’œil nu et donne lieu à la première détection de neutrinos cosmiques, issus d'une source plus lointaine que le Soleil, située bien en dehors de la Voie Lactée. On enregistre aussi l'émission de rayons gamma associés. L’étoile défunte est identifiée sur des images d'archive. C'est une supergéante bleue. Aujourd’hui, le mécanisme de désintégration catastrophique d’un astre est bien mieux compris. Dans le détail, les supernovae constituent un zoo très varié de familles labellisées Ia, Ib, Ic et II. De manière simplifiée, disons que le premier type (Ia) correspond à l’explosion thermonucléaire d’une naine blanche à qui une voisine cède de la matière. Le gaz issu de l'étoile normale s'accumule sur la naine. Il pèse de tout son poids. Et l'astre dense atteint la limite de Chandrasekhar, 1,44 masse solaire, au-delà de laquelle sa structure ne peut perdurer. Le carbone et l'oxygène s'enflamment à nouveau vivement au cœur de l'objet et ils y alimentent des réactions de fusion explosives. L'embrasement est complet. Il ne subsiste aucun résidu compact au centre de la déflagration et des cendres qui se dispersent. Les autres supernovae (Ib, Ic, II) se rassemblent autour du modèle, commun, d’une étoile massive en fin d’évolution. Elle meurt en dispersant ses entrailles et les éléments lourds créés au fil de l'alchimie nucléaire passée. Dans ce cas, la principale source d'énergie est l’intense gravité de l’astre, alors que les supernovae Ia puisent leur vitalité dans les processus thermonucléaires. Les supernovae de type II et assimilées laissent derrière elles un résidu compact, cœur de l'astre défunt, qui peut être une étoile à neutron ou un trou noir.

Désormais, les différents chemins qui forgent les éléments chimiques de l’Univers apparaissent assez bien cernés. Ils se résument comme suit dans le tableau  : > voir tableau


Pour ce qui est des explosions d’étoiles massives, le bilan en termes d’énergie s’établit ainsi :
- la luminosité de la supernova définit par convention le niveau unité, 1, de référence
- l’atmosphère en expansion de l’étoile défunte emporte 100 fois plus dans son élan
- le flux de neutrinos - particules fantômes insaisissables - véhicule 10 000 fois plus.
- Au final, la lumière représente 0,01 % de l’énergie libérée. C’est l’arbre qui cache la forêt. "L’essentiel est invisible pour les yeux", disait le Petit prince d’Antoine de Saint-Exupéry.

Le scénario précis du déroulement d’une explosion de supernova, lui, reste toujours à déterminer. La turbulence joue un rôle essentiel en créant des panaches de matière chaude au sein de l’atmosphère en expansion. D’autre part, la raison profonde de l’explosion est toujours mystérieuse. Comment l’effondrement sur lui-même d’un astre se trouve-t-il, subitement, inversé en un mouvement qui disperse la matière ? Comment une implosion se transforme-t-elle en son contraire ? Certes, dans le cas où une étoile à neutrons se forme, le phénomène peut s’expliquer. On invoque un rebond à la surface de l’objet dense. Mais dans le cas plus extrême où une étoile massive donne naissance à un trou noir, cette idée ne tient plus. Il n’y a plus de frontière solide pour créer un choc. Les neutrinos, à ce niveau, pourraient intervenir… Mais, les spéculations et les observations vont bon train. La modélisation des phénomènes ultraviolents a de beaux jours devant elle.




Pour en savoir plus :

Le spectrographe SNIFS voit sa première supernova
Communiqué de presse CNRS du 4 juin 2004

Confirmation de l'expansion accélérée de l'Univers
Communiqué de presse CNRS du 19 septembre 2003