Quarks, leptons, bosons, les particules élémentaires

La température qui règne au cœur d’une supernovae est estimée de 40 à environ 150 milliards de degrés K, aussi tenter d’imaginer des couleurs dans un tel état de la matière relève de l’imagination ou du rêve : J’ai donc « rêvé » aux couleurs de l’implosion en vert et de l’explosion en jaune orangé et rouge, et sur ce rêve j’ai reproduit les petites particules de la chimie d’une supernovae au plus près de la réalité scientifique.

Avant de partir du centre de l’œuvre où commence l’explosion, faisons un bref retour en arrière durant la contraction du cœur stellaire jusqu’au point où la température centrale atteint le milliard de degrés. La fusion des noyaux de carbone commence et une nouvelle particule fait son apparition au sein de l’étoile : le neutrino. Contrairement aux photons cette particule extrêmement légère interagit très peu avec la matière qu’elle rencontre sur son chemin. Page 120 : la production de neutrinos conduit l’étoile dans une période d’activité de plus en plus intense, la plus grande partie de l’énergie produite est emportée par les neutrinos du cœur stellaire à la surface lointaine.

Plusieurs étapes se succèdent avec la fusion du carbone, puis celle du néon et de l’oxygène. A plus de 2 milliards de K la combustion du silicium conduit à la formation de noyaux de plus en plus lourds jusqu’au fer 56.

Page 121 : quand la masse du cœur dépasse la limite de Chandrasekhar au delà de laquelle la pression interne des électrons ne peut plus supporter le poids de l’étoile, le cœur de fer implose brusquement et l’étoile meurt.

LES SUPERNOVAE GRAVITATIONNELLES : l’effondrement du cœur de fer.

Page 121 : A ce moment le cœur de fer a un rayon d’environ 3000 km comparable à celui de Mars. La partie interne d’environ 0,8 masses solaires s’effondre en bloc, la partie externe suit avec un léger décalage. L’évolution du cœur se déroule en moins d’une seconde, mais sa description (page 122) nécessite plusieurs mois de calcul avec les plus puissants ordinateurs aujourd’hui. Ces calculs essaient d’apporter une réponse à la question : « comment l’implosion se transforme-t-elle en explosion ? » mais sans beaucoup de succès jusqu’à présent.

Commençons par le centre de l’œuvre où est représenté en bleu le fluide continu de noyaux et de neutrons libres. La densité centrale dépasse les 200 000 milliards de g/cm3. Une boite d’allumettes remplie de cette matière pèserait plus de un milliard de tonnes. Comment est ce possible ? Pour cela sur l’œuvre nous regardons à l’intérieur du premier cercle jaune, à quelques centimètres du fluide de neutrons. Page 122 : la densité centrale atteint les 10 milliards de g/cm3, la majorité des électrons représentés en petites billes bleues est capturée par les noyaux et les protons en boules rouges. La charge négative des électrons neutralise la charge positive des protons, les transformant en neutrons. Le cœur de l’étoile commence à se neutroniser. Lors de chacune de ces réactions un neutrino est émis, qui s’échappe aussitôt vers la surface. Ces particules sont représentées en petites flèches roses ou pourpres s’enfuyant vers l’extérieur. Quand la densité centrale dépasse 500 milliards de g/cm3 le cœur interne est tellement dense que même les neutrinos ont du mal à se frayer un chemin vers l’extérieur.

Un millième de seconde plus tard, le cœur interne se trouve comprimé à l’intérieur d’une sphère extrêmement dense, de 30 km de rayon seulement.

Page 123 : nous arrivons maintenant à la densité centrale de plus de 200 000 milliards de g/cm3 décrite quelques lignes auparavant. Pour la première fois dans l’histoire de l’étoile, la résistance extraordinaire du gaz nucléaire se manifeste brusquement et l’effondrement du cœur interne s’arrête d’un coup, comme butant sur un rempart infranchissable. L’opposition du gaz nucléaire est tellement vive que le cœur interne se met à vibrer en bloc, comme un marteau qui rebondit sur une enclume. Sur l’œuvre cette résistance nucléaire est symbolisée par les petites flèches rouges entourant le fluide de neutrons. Les courtes lignes ondulatoires jaunes ou vertes jusqu’au cercle jaune symbolisent les vibrations de l’étoile.

Page 123 : une fraction de milliseconde après ce rebond comme des vagues à la surface de la mer ces vibrations transportent une partie de l’énergie gravitationnelle libérée par l’effondrement, qui va servir à l’éjection du reste de l’étoile. Un mécanisme intéresse particulièrement les physiciens : celui des neutrinos : page 124. Une fraction de seconde avant le rebond du cœur les neutrinos se sont retrouvés piégés durant une demie seconde seulement. Ils s’échappent ensuite vers l’extérieur et toute la chaleur du cœur interne s’en va ainsi sous la forme d’une bouffée de 10 puiss. 58 neutrinos. Chacun d’eux transporte une énergie de 15 MeV environ, correspondant à l’extraordinaire température du cœur de l’étoile à ce moment là : 150 milliards de K, la température la plus élevée connue dans l’univers actuel. Page 122 :ces particules en petites flèches roses ou pourpres s’élancent vers l’extérieur où « la vague » se heurte à une véritable avalanche qui lui tombe de l’extérieur : les premières couches de la partie externe du cœur de fer représentées en colori vert s’écrasent à leur tour avec un retard d’une minuscule fraction de seconde à la vitesse de 70000 kms/s. Un bref combat s’engage entre « la vague » montant de l’intérieur et « l’avalanche » tombant de l’extérieur. La vague se met à briser les noyaux de fer, représentés ici en éclats de petites billes grises, elle y dépense son énergie ce qui lui fait perdre son élan au bout d’une centaine de kilomètres : les astrophysiciens baptisent la région où ceci se produit « le champ de mines ».
Page 124 : revenons à l’intérieur du 2ème cercle jaune : les neutrinos se lancent vers « le champ de mines » où la vague est en train de perdre son combat contre l’avalanche des couches de fer. Une faible proportion de neutrinos (environ 1 %) interagit avec les protons et les neutrons (débris de noyaux de fer) , lui communiquant son énergie. Les protons et neutrons représentés en billes rouges ou bleues s’échappent vers l’extérieur poussés par les neutrinos roses ou pourpres. Grâce à cette aide inespérée la vague évanouie se ranime l’explosion retardée réussit, le reste des neutrinos environ 99 % file vers la surface presque à la vitesse de la lumière. Page 125 : il est assez extraordinaire de constater que les fantomatiques neutrinos (qui n’interagissent presque pas avec la matière) sont capables de pousser l’énorme enveloppe stellaire si efficacement. Cependant les ,simulations numériques les plus récentes montrent que ce mécanisme n’est efficace que pour les cœurs de fer assez petits, correspondant à des étoiles dont la masse est de 10 masses solaires environ. Cela ne concerne qu’une faible fraction des étoiles massives, pour les autres on ignore le mécanisme exact de l’explosion. Page 125 : parmi les pistes explorées, celle des ondes acoustiques a créé récemment de grands espoirs. Selon certaines simulations numériques, la lutte entre l’onde de choc et l’avalanche de matière accrétée fait vibrer le cœur de l’étoile. Amplifiées par la puissante gravitation du cœur, ces vibrations ou ondes acoustiques atteignent sa surface et transmettent leur énergie au milieu environnant. Ainsi après l’onde de choc créée par le rebond et après la légion de neutrinos qui l’ont suivie, le cœur interne envoie une troisième « armée » à l’extérieur pour repousser l’avalanche qui lui tombe dessus. Cette fois ci ce sont des ondes sonores qui se propagent vers « le champ de mines », et font exploser l’étoile du moins selon certaines simulations. Ces vibrations sont représentées en petites lignes ondulatoires jaunes ou vertes à l’intérieur du premier cercle jaune.

Toutefois le mystère de la mort des étoiles massives reste entier.