QUE LA GRAVITATION SOIT AVEC TOI !

‘’ Episode 1’’

Par Marcel BESNIER

 

Une étoile ordinaire tire sa stabilité d’une lutte incessante entre la gravité, qui tend à la faire s’effondrer sur elle-même, et la chaleur produite par les réactions thermonucléaires. L’équilibre est donc parfait tant que l’étoile reste dans la série principale. En fin de vie la production de chaleur s’arrête dans son cœur et la gravité en profite lâchement pour prendre le dessus. Une étoile de la taille de notre soleil se retrouve confinée dans une sphère d’environ 10 000 km de diamètre appelée naine blanche. Un peu avant cette extrémité l’étoile expulse une grande partie de sa matière sous forme de nébuleuse planétaire, comme la nébuleuse de la lyre ou hélix. Mais après, la gravité jette l’éponge, elle a trouvé un nouveau maître. Que se passe t’il ? Pour comprendre, d’abord un peu d’histoire :

Au début du XXem siècle on n’envisageait pas un état de la matière beaucoup plus concentré que celui observé habituellement sur terre. Pour toutes les choses connues, l’eau, le bois, les roches ou les êtres vivants, les densités ont toutes le même ordre de grandeur : quelques grammes par cm3. Il faut attendre les années 1920 pour que la mécanique quantique nous en explique les raisons :

Dans un atome les électrons sont liés au noyau par des forces électriques et sont animés de très grandes vitesses. De même que les molécules de gaz exercent une pression sur les parois d’un récipient, les électrons sont responsables d’une pression empêchant la matière de se contracter au-delà d’une certaine limite. C’est le principe d’exclusion découvert en 1925 par un physicien américain : Wolfgang Pauli. Il stipule que deux particules identiques ne peuvent avoir la même position et la même vitesse. C’est ce qui empêche notre doigt de traverser une table par exemple et, de toute façon, sans ce principe, l’univers ne serait qu’une soupe de particules où aucune chose ne pourrait exister. Dans la matière ordinaire il y a beaucoup de vide, de place perdue, mais la mécanique quantique prédit l’existence d’une matière très concentrée où il n’y a plus de vide : cette matière est dite dégénérée. C’est exactement ce qui ce passe dans les naines blanches où les électrons sont confinés dans un volume si petit que tous les niveaux d’énergie sont occupés. Autrement dit toutes les places sont prises. Le principe d’exclusion interdit donc de remplir davantage le volume et les électrons résistent à toute compression supplémentaire. C’est ce qu’on appelle la pression de dégénérescence qui est indépendante de la température, contrairement à la pression d’un gaz ordinaire. Une naine blanche restera donc indéfiniment en l’état sans jamais plus se contracter. Elle mettra des milliards d’années à se refroidir car elle est protégée du froid de l’espace par un manteau de quelques km d’épaisseur constitué de matériaux opaques non dégénérés. La température de surface ne dépasse pas les 100 000 ° k, alors le cœur atteint 100 millions °k pour une jeune naine blanche. La densité à l’intérieur d’une naine blanche est de l’ordre de la tonne par cm3. ( petit mais costaud…). Sa composition est très simple : De l’oxygène au cœur puis de l’hélium en se rapprochant de la surface.

La première naine blanche fut découverte en 1862 en orbite autour de Sirius. Son découvreur, un Américain, la nomma Sirius B sans connaître sa vraie nature.

La gravité aurait-elle trouvé un maître absolu ? Non car elle a un allié de… poids : la masse. En 1931, un astrophysicien indien, Subrahmanyan Chandrasekhar, trouva une limite à la masse des naines blanches : 1,4 masses solaires. Au-delà, la gravité l’emporte sur la pression de dégénérescence des électrons. Toutefois on estime qu’une étoile jusqu’à 8 masses solaires formera tout de même une naine blanche avec une masse inférieure à la limite de chandrasekhar car elle perd énormément de gaz, sous forme de vent stellaire, au cours de sa vie.

La gravité peut donc prendre sa revanche avec les étoiles très massives, supérieures à 8 masses solaires. Grâce à une température de plusieurs milliards de degrés, ces étoiles sont capables de synthétiser tous les éléments lourds connus. Les transmutations successives conduisent à la formation, dans le cœur de l’étoile, de l’élément le plus stable de l’univers : le fer. Le noyau de fer est si stable qu’aucune autre fusion n’est possible. Le cœur de fer ainsi formé ne débite plus d’énergie et cesse d’assurer l’équilibre gravitationnel de l’étoile qui en est au stade de super géante rouge. La masse de l’étoile s’effondre sur le cœur inerte à la vitesse de la chute libre. Dans la bataille, les photons qui jaillissent sont tellement énergétiques qu’ils font éclater les noyaux de fer en une multitude de noyaux d’hélium : c’est la photo désintégration. La température est telle que les noyaux d’hélium se désintègrent, à leur tour, en leurs constituants élémentaires, protons, neutrons et électrons. Comme pour les naines blanches, les électrons sont dégénérés, mais la masse du noyau dépassant la limite fatidique de Chandrasekhar, la pression de dégénérescence des électrons est incapable de résister à la compression. En une fraction de seconde, les électrons sont poussés à l’intérieur des protons où leurs charges électriques se neutralisent pour créer des neutrons. Comme leur nom l’indique, les neutrons n’ont pas de charge et donc ne se repoussent pas comme les protons, ils peuvent donc se rapprocher jusqu’à se toucher. Cette neutronisation s’accompagne donc d’une implosion du cœur de l’étoile qui s’effondre littéralement sur lui-même sous l’action de la toute puissante gravité. La densité atteint celle des noyaux atomiques. Le cœur de l’étoile est devenu une sorte de noyau atomique géant constitué principalement de neutrons. Les couches externes de l’étoile rencontrent donc, en s’effondrant, un mur infranchissable et rebondissent : c’est une supernova. 90 % de sa matière est expulsée dans l’espace. Encore une fois la gravité est vaincue, cette fois c’est la pression dégénérescence des neutrons qui empêchent un effondrement total. Il reste ce qu’on appelle une étoile à neutrons de 10 km de diamètre avec une densité de 100 millions de tonnes par cm3 ( très petit mais très costaud…). Une étoile à neutrons s’apparente donc un noyau atomique géant. La différence est que l’étoile à neutrons est liée par la gravité et le noyau atomique par la force nucléaire forte. La surface est formée par une croûte rigide de fer de 1 km d’épaisseur portée à plusieurs millions de degrés.

La première étoile à neutrons a était détectée sous la forme d’un pulsar en 1967 ( voir cosmos express n° 21) et la plus célèbre et celle de la nébuleuse du crabe.

A suivre…

Dans’’ Episode 2 ‘’ : Le triomphe de la gravitation.

 

 

 

LE TRIOMPHE DE LA GRAVITATION

                                                     ‘’ Episode 2 ‘’

Par Marcel BESNIER

 

Dans le précédent ’’ cosmos express’’ nous avons laissé la gravitation au prise avec la matière dégénérée d’une étoile à neutrons. Nous l’avons vu, le grand allié de la gravitation, c’est la masse. Il y aura donc une limite pour la masse de ces ‘’ résidus stellaires ‘’ au-delà de laquelle ils s’effondreront sur eux-mêmes pour donner les objets les plus fascinants de l’univers : les trous noirs.

Ce concept n’est pas nouveau ; en 1796 le mathématicien astronome Pierre Simon Laplace associa l’idée de vitesse finie de la lumière avec celle de vitesse de libération pour supputer l’existence de corps si massifs que même la lumière ne pourrait le quitter. Il calcula qu’une étoile qui serait 250 fois plus grosse que le soleil et en même temps aussi dense que la terre ne laisserait pas sortir ses rayons lumineux et serait donc invisible.

La vitesse de libération est la vitesse au-dessus de la quelle tout projectile, quelle que soit sa nature, est libéré de la pesanteur terrestre. Elle se calcule en fonction de la masse de la planète et de son rayon : plus grande est la masse de l’astre considéré, plus grande sera sa vitesse de libération, et, pour une masse donnée, la vitesse de libération est d’autant plus élevée que le rayon de l’astre est petit. Ainsi elle est de 11.2 km/s à la surface de la terre, 620 km/s à la surface du soleil mais atteint plusieurs milliers de km/s sur une naine blanche d’une masse solaire dont le rayon ne dépasse pas 10 000km. C’est donc à partir de la simple notion de vitesse de libération que fut élaboré le concept, infiniment plus complexe, de trous noirs. Voyons un peu de quel bois se chauffe un ‘’astre’’ capable de retenir la lumière dans ses filets, pour cela revenons à notre étoile à neutrons :

La limite de la masse des étoiles à neutrons n’est pas connue avec précision comme dans le cas des naines blanches, on l’évalue à environ 3 masses solaires pour un diamètre de 10 km. Au-delà la pression de dégénérescence des neutrons est incapable de résister à l’effondrement gravitationnel. Cette fois plus rien ne peut arrêter la contraction de l’étoile sur elle-même jusqu'à un point de volume nul et de densité infinie. C’est ce que les astrophysiciens appellent‘’ une singularité ‘’, faute de pouvoir expliquer le phénomène avec leurs outils habituels. En effet la physique traditionnelle, en particulier la relativité générale d’Einstein, résout très bien les problèmes de gravitation à grande échelle et la mécanique quantique décrit l’infiniment petit des particules. Or pour comprendre ce qui se passe dans la ‘’singularité’’, il faudrait une théorie quantique de la gravitation qui n’est pas encore élaborée.

Un trou noir ne se résume pas à un point, il n’a pas de surface rigide comme une étoile à neutron mais possède un horizon. C’est la limite après laquelle toute chose, matière ou rayonnement, se trouve irrésistiblement attirée vers la singularité sans aucun espoir de revoir le jour. En 1915 un astrophysicien allemand, Karl Schwarzschild, s’intéressa à cette limite et calcula la distance critique : R = 2GM / C2. G est la constante de gravitation, M la masse du corps considéré et C la vitesse de la lumière. Ce rayon critique est donc uniquement proportionnel à la masse, c’est une des caractéristiques des trous noirs d’oublier la nature des choses et de conserver uniquement leur masse. Ce ‘’rayon de Schwarzschild’’ est donc la dimension critique d’un objet en dessous de laquelle la vitesse de libération, à sa surface, est égale à celle de la lumière. Ainsi pour toute chose il existe un rayon de schwarzschild :

Pour la terre, dont la masse est de 10 25kg, ce rayon est de 1 cm, pour le soleil avec 1030 kg il est de 1 km et pour une galaxie de 1011 masses solaires il est de 0.01 al. On peut également le calculer pour un homme de 100 kg, il serait de 10-23 cm.

Un trou noir isolé est bien sûr indétectable, par contre s’il se trouve à proximité d’une étoile, il lui arrache sans cesse des matériaux qui forme un disque d’accrétion chauffé à plusieurs millions de degrés. La matière en tombant dans le maelström émet des bouffées de rayons X parfaitement détectables par nos satellites. C’est ainsi que fut trouvée, en 1965, une source de rayons X dans le cygne grâce à un détecteur embarqué à bord d’une fusée. On baptisa cet objet ‘’Cygnus X-1’’. Par la suite il s’avéra que l’on était en présence d’un trou noir de 7 masses solaires en orbite très serrée autour d’une étoile de type O de 30 masses solaires. Cygnus X-1 tourne à seulement 30 millions de km de la super géante en moins de 6 jours. C’est le premier candidat trou noir officiellement reconnu.

Il existe également des trous noirs géants, de plusieurs millions de masses solaires dans le cœur de nombreuses galaxies à commencer par la notre. Le bulbe de la voie lactée recèle un tel monstre : Sagittarius A pour les intimes.

La gravitation est donc la grande gagnante de l’histoire, elle à réussi à vaincre notre physique et notre compréhension … Heureusement il nous reste l’imagination et là nous sommes imbattables.

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