L'exploration de plus en plus poussée de l'espace nous a permis d'observer bon nombre de phénomènes qu'il serait impossible de reproduire ici sur Terre. Phénomènes tantôt spectaculaires, tantôt destructeurs, dont les supernovas. Le mot supernova a été utilisé pour la première fois par Walter Baade et Fritz Zwicky en 1931, et il s'agit en fait de la plus grande explosion que l'humanité ait jamais vue.
L'un des événements les plus catastrophiques de l'univers implique une étoile massive dans ses derniers moments de vie, lorsqu'elle explose, se détruisant elle-même et libérant une énorme énergie. À ce moment-là, le corps céleste devient si brillant qu'il brille plus fort qu'une galaxie entière. La lumière qui est émise par l'étoile à la suite de l'explosion dure quelques mois et est comparable à celle que notre Soleil est capable d'émettre en un milliard d'années.
Plus seulement cela, elle génère en quelque sorte certains des objets les plus exotiques, accompagnant même les étoiles à neutrons, les pulsars et les trous noirs.
Tout cela, bien sûr, à des températures très élevées, qui peuvent atteindre le chiffre stupéfiant de cent milliards de kelvins.
Ce qu'est une supernova et comment elle est créée
Certains diraient qu'une supernova est le dernier hourra d'une étoile massive mourante. Elle concerne des étoiles de grande masse, supérieure à 8 masses solaires, sous certaines conditions 10, et constitue une explosion stellaire plus énergétique qu'une nova. Les supernovae sont très lumineuses et provoquent une émission de rayonnement qui peut, du moins pendant de courtes périodes, dépasser celle d'une galaxie entière.
Dans un intervalle de temps qui varie généralement de quelques semaines à quelques mois, l'explosion d'une supernova, en plus de son grand "bang", émet autant d'énergie que le Soleil devrait en émettre pendant toute son existence. Elle atteint alors une température de cent milliards de kelvins pendant une quinzaine de secondes, mais seulement si l'étoile a une masse au moins neuf fois supérieure à celle de notre Soleil.
Vous comprendrez alors que nous sommes face à une fin bien plus tragique, et en même temps un véritable spectacle de la nature, que celle des étoiles mineures. Il suffit de dire que ce type d'explosion stellaire éjecte la majeure partie ou la totalité de la matière qui compose l'étoile, à une vitesse pouvant atteindre 30 000 kilomètres par seconde, soit pratiquement 10 % de la vitesse de la lumière.
Alors que les seules réactions nucléaires possibles pour les étoiles de faible masse sont celles de l'hydrogène et de l'hélium, et seulement du carbone rare, les étoiles de masse plus élevée peuvent atteindre des températures suffisamment élevées pour déclencher une nouvelle fusion nucléaire pendant les périodes de compression associées à l'épuisement de l'une des formes de combustible.
Une autre différence avec les étoiles plus petites est que les étoiles plus grandes peuvent mieux mélanger les éléments internes, ce qui permet à l'hydrogène de se glisser à nouveau dans le noyau. Mis à part les détails techniques, ce processus produit tout de même des tonnes d'énergie, et le cœur devient très chaud. La chaleur est telle qu'elle génère une forte pression qui, dans un long bras de fer avec la gravité, voit une variété de réactions se produire simultanément aux différentes couches de la structure stellaire.
Alors que l'hélium est progressivement fusionné en éléments de plus en plus lourds, c'est une séquence connue sous le nom de capture de l'hélium, le noyau continue de s'effondrer avec une température qui s'élève à 600 millions de degrés Kelvin : c'est suffisant pour déclencher l'inévitable réaction du carbone en éléments plus lourds comme l'oxygène, le néon, le sodium et le magnésium.
La fusion du carbone elle-même fournit une toute nouvelle source d'énergie, capable de rééquilibrer la " lutte " entre la gravité et la pression qui caractérise ces supergéantes extrêmement lumineuses, à grand rayon et à faible densité. Une fois que la fusion nucléaire capable de faire face à la gravité est terminée, l'étoile implose et la masse est trop importante pour que le noyau stellaire puisse résister.
Une explosion de supernova est générée, qui comme nous l'avons dit est l'un des événements les plus violents de l'univers intérieur. Pour simplifier encore plus, on peut dire que lorsqu'une étoile massive brûle, elle se refroidit, ce qui fait chuter la pression. La gravité l'emporte donc et l'étoile s'effondre soudainement.
Types de supernova
Le terme supernova est dérivé du terme "nova", qui désignait autrefois les étoiles apparaissant dans le ciel à des endroits où il n'y avait auparavant aucune trace d'elles, suggérant la naissance d'une "nouvelle" étoile. En raison de la luminosité de ces apparitions, le mot a été accentué par le terme "supernova", même si nous savons qu'il s'agit en fait d'une étoile mourante. A ce jour, les astronomes ont observé qu'il existe deux types de supernovae, qui diffèrent par le mécanisme de l'explosion et le type d'étoiles dont elle provient.
Les supernovae de type I ne proviennent pas d'étoiles isolées, mais de systèmes dits binaires, c'est-à-dire composés de deux étoiles voisines tournant autour d'un centre de gravité commun. Les systèmes binaires susceptibles de déclencher une supernova de type I sont généralement ceux composés d'une naine blanche d'oxygène et de carbone et d'une étoile dite compagnon. En raison de sa pression et de sa densité extrêmement élevées, la matière qui compose la première se trouve dans un état que les scientifiques appellent " dégénéré ".
Cet état n'est stable que si la masse de l'étoile concernée est inférieure à une valeur seuil appelée " masse de Chandrasekar ", qui correspond à 1,4 fois la masse du Soleil. Si la naine blanche fait partie d'un système binaire, son champ gravitationnel peut être si puissant qu'il pousse l'étoile voisine à lui transférer sa masse. En conséquence, la naine commence à croître de manière exponentielle jusqu'à ce qu'elle dépasse la limite de Chandrasekar, et se contracte.
La contraction déclenche les réactions nucléaires que nous connaissons déjà, et l'énergie libérée est suffisante pour faire exploser complètement l'étoile, qui se désintègre en ne laissant que de la poussière dans l'espace.
Les supernovae de type II, en revanche, proviennent d'étoiles particulièrement massives, généralement environ 10 fois la masse de notre Soleil. Ils ont une durée de vie relativement courte, ne dépassant pas 10 millions d'années, et tout au long de leur vie, le combustible nucléaire au centre de l'étoile tend à passer cycliquement d'un élément à un autre. À chaque "transformation", le noyau se contracte sous l'effet de la gravité et parvient à élever suffisamment la température pour déclencher la combustion du nouvel élément chimique. Sachant que le fer, par sa nature même, ne peut pas subir de fusion supplémentaire pour produire de l'énergie, une fois son tour venu, la contraction du noyau sera imparable et totalement irréversible.
En quelques dizaines de secondes, le diamètre du noyau se contracte d'environ la moitié du rayon terrestre à un peu plus de 10 kilomètres, et l'onde de choc ainsi produite se propage à travers les couches externes de l'étoile en deux heures environ. Quand elle atteint la surface, l'étoile explose. Toute la matière qui compose la partie extérieure de l'étoile est éjectée dans l'espace à une vitesse d'environ 15 000 kilomètres par seconde, tandis que le résidu laissé derrière peut, selon sa masse, être une étoile à neutrons, également appelée pulsar, ou un trou noir.
L'importance d'une explosion stellaire
Bien qu'étant un phénomène destructeur, la supernova joue un rôle clé dans l'évolution de l'univers, avec des effets qui peuvent également être ressentis ici sur Terre. Tout d'abord, cette explosion stellaire tonitruante s'est avérée être le mécanisme le plus efficace et le plus complet pour l'enrichissement chimique des galaxies. Tout le monde ne sait pas que la plupart des éléments que l'on trouve aujourd'hui dans la galaxie, sur la Terre et chez les humains ne sont pas apparus à la naissance de l'Univers après le Big Bang, mais ont été synthétisés au sein des étoiles, y compris l'oxygène que nous respirons !
Après l'explosion des supernovae, la matière stellaire, riche en éléments chimiques, est renvoyée dans l'espace et enrichit les nuages de gaz et de poussières interstellaires qui donneront plus tard naissance à de nouvelles étoiles, planètes et galaxies. Non seulement cela, mais l'énergie de l'explosion permet de transformer les éléments déjà présents, complétant ainsi tous les éléments du tableau périodique que nous avons appris à connaître.
En outre, l'explosion d'une supernova favorise la naissance de nouvelles étoiles, pour un cercle vertueux qui se traduit par de nouvelles formes de vie potentielles. En effet, l'onde de choc générée par l'explosion se propage dans les nuages de gaz et de poussières interstellaires et provoque des variations de densité. Ces variations déclenchent la contraction du gaz et la formation subséquente d'une nouvelle étoile.
Le cosmos a donc aussi son propre cycle de vie unique : la mort d'une étoile crée les conditions nécessaires à la vie des autres. Il n'est donc pas surprenant que les supernovae soient si étudiées. Malheureusement, il nous est impossible de savoir quand et où une supernova va exploser, mais les astrophysiciens peuvent les découvrir en surveillant en permanence un grand nombre de galaxies. Il faut aussi beaucoup de patience, sachant que le nombre d'explosions de supernovas galactiques n'est que de une tous les 30 à 50 ans en moyenne.