Cela fait presque une décennie que l’ère de l’astronomie gravitationnelle s’est ouverte et aujourd’hui on dispose de trois grands détecteurs de ces ondes qui ont encore été upgradés au cours des précédentes années, à savoir Ligo, Virgo et Kagra, respectivement aux États-Unis, en Europe et au Japon.
Plusieurs des pionniers à la fois dans le domaine de la théorie et des expériences pour les ondes gravitationnelles, tels Yvonne Choquet-Bruhat et Alain Brillet, pour ne citer qu’eux et dans le cas de la France, ne sont hélas pas là pour voir une publication dans Nature et que l’on doit à une équipe internationale, dirigée par Hui Tong, doctorant à l’École de physique et d’astronomie de l’Université Monash (Australie).
Des trous noirs binaires instables
Une version de cette publication est en accès libre sur arXiv et elle concerne une découverte issue de la détection accumulée au cours des ans de sources d’ondes gravitationnelles sous la forme de fusion de trous noirs. Dans tous les cas, ces ondes sont des oscillations et des déformations du tissu de l’espace-temps impliquées par la théorie de la relativité générale d’Einstein.
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Ondes gravitationnelles : Ligo et Virgo ont découvert d’étranges trous noirs binaires
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Tout comme le spectre d’une étoile nous donne des renseignements sur sa composition, le spectre des ondes gravitationnelles produites par des systèmes binaires de trous noirs, qui fusionnent parce qu’ils se sont rapprochés en perdant de l’énergie sous la forme du rayonnement gravitationnel, contient sous forme codée les masses et les moments cinétiques de ces trous noirs avant la collision.
Après la collision, le spectre contient l’information qui permet de prédire la masse et la rotation du trou noir produit par la fusion.
Toujours est-il que de façon étonnante, de prime abord, les trous noirs impliqués dans les fusions – que l’on pense être majoritairement issus de l’effondrement gravitationnel d’étoiles au moins 10 fois plus massives que le Soleil au début de leur vie, qui s’est terminée en supernovae – ne sont, dans la majorité des cas, pas plus massifs que 45 fois le Soleil. Pourquoi ?
Un schéma illustrant la structure d’une jeune étoile massive, plus de 100 fois la masse du Soleil, comme devaient l’être les étoiles de première génération quelques centaines de millions d’années tout au plus après le Big Bang. Comme dans toutes les étoiles, la pression du gaz de particules, noyaux, électrons et photons est normalement en équilibre avec la pression causée par la gravité de l’étoile. Mais dans une étoile d’au moins 140 masses solaires, les photons gamma sont si énergétiques (les traits ondulés sur le schéma) qu’ils finissent par créer des paires d’électron et de positron, donc de l’antimatière. © Nasa, CXC, M. Weiss
Le saviez-vous ?
Il y a presque 50 ans, plusieurs astrophysiciens théoriciens ont prédit que certaines étoiles étaient instables à cause d’un phénomène bien décrit par les équations de l’électrodynamique quantique. En effet, avec une paire de photons gamma suffisamment énergétiques, un calcul mené à l’aide des fameux diagrammes de Feynman, bien connus des spécialistes de la physique des hautes énergies, indique que des paires de particule-antiparticule peuvent être créées.
Dans le cas d’une étoile très massive dépassant les 100 masses solaires, beaucoup des photons produits par les réactions thermonucléaires dans le cœur de ces étoiles sont dans le domaine gamma. Or, ils peuvent donner naissance chacun à une paire d’électron-positron s’ils possèdent suffisamment d’énergie. Il s’agit au fond d’une conséquence assez simple de la formule d’Einstein, E=mc2, l’énergie des photons étant convertie en la masse des deux particules.
Lorsque la création de matière et d’antimatière selon ce processus devient importante, la pression du flux de photons gamma sur les couches de l’étoile devient insuffisante pour s’opposer à sa contraction sous l’effet de sa propre gravité, car une partie du rayonnement est convertie en une composante qui se comporte comme un mélange de gaz à plus faible pression. Or, cette même contraction va augmenter le taux des réactions nucléaires en chauffant le cœur de l’étoile. La production de photons gamma créateurs d’antimatière va encore être accrue et le processus devient instable lorsque l’étoile contient au moins 130-140 masses solaires (en dessous, il se produit des oscillations et l’étoile devient pulsante). Il s’emballe.
La température ne va cesser de grimper et en très peu de temps le cœur de l’étoile, contenant un mélange de noyaux de carbone et d’oxygène, va exploser du fait des réactions thermonucléaires qui se produisent alors en convertissant sa matière en noyaux lourds. Prend alors naissance un nouveau type de supernova baptisée Pair Instability Supernovae (PISNe), ne laissant aucun astre compact derrière elle (sauf éventuellement un trou noir si l’étoile est suffisamment massive, c’est-à-dire probablement au-delà de 260 masses solaires). L’explosion doit surpasser celle d’une supernova normale et s’accompagner de la production d’une grande quantité de nickel radioactif en plus d’une grande quantité de matière éjectée.
Mais attention, si l’étoile est en quelque sorte annihilée, ce n’est pas la production d’antimatière qui en est responsable, les positrons ne pouvant d’ailleurs pas annihiler les protons et les neutrons des noyaux de l’étoile. C’est bien le souffle de l’explosion, l’onde de choc produite, qui disperse totalement la matière de l’étoile génitrice de la PISNe.
Des supernovae à instabilité de paires
Selon le travail des astrophysiciens, cette observation toute récente est en fait une conséquence d’une théorie développée depuis un moment déjà, théorie de la structure et de l’évolution stellaire qui prédisait justement l’absence de trous noirs dont la masse se situe entre ∼50 et ∼130 masses solaires (M⊙).
En effet, des étoiles dont la masse initiale est comprise entre 100 et 260 M⊙ sont susceptibles de donner des supernovae par instabilité de paires, car ces masses et une fois qu’un cœur stellaire de carbone–oxygène issu de la nucléosynthèse stellaire apparaît, sa température devient suffisamment élevée pour que les photons produisent spontanément des paires électron–positron. Cela entraîne alors comme une chute de la pression photonique qui déclenche un effondrement gravitationnel soudain, suivi de l’inflammation explosive de l’oxygène. L’explosion stellaire qui en résulte est si puissante qu’elle peut désintégrer l’ensemble du cœur stellaire par instabilité de paires, comme l’explique les chercheurs dans leur article.
La courbe de la répartition des masses des populations de trous noirs dans les systèmes binaires avec ces trous noirs stellaires est non seulement conforme dans les grandes lignes aux prédictions de cette théorie, mais elle peut donner aussi des renseignements sur ce qui se passe dans les étoiles qui vont exploser du fait de la production d’antimatière dans leur cœur.
Source:
www.futura-sciences.com
