Club d’Astronomie de Lyon Ampère

La mesure des distances dans l’Univers

Les SUPERNOVÆ

mardi 27 janvier 2009 par Jacques Murienne

Comme nous l’avons vu dans l’article précédent, les astrophysiciens recherchent constamment de nouvelles méthodes d’évaluation des distances des amas d’étoiles et des galaxies. A près la parallaxe et les céphéides, ce sont les supernovae qui sont couramment utilisées pour mesurer des distances lointaines dans l’Univers.

DES SUPERNOVAE COMME BOUGIES STANDARD

Après avoir brûlé toutes leurs réserves d’hélium, les étoiles massives, à l’instar de leurs semblables de petite masse, finissent par devenir des géantes, voire des super-géantes.
Toutefois, le destin qui les guette
sera plus spectaculaire. La force
gravitationnelle étant plus élevée, la
moindre parcelle d’énergie thermique
du coeur finit par s’épuiser et, lorsque
cesse la fusion nucléaire, ce coeur
stellaire n’est plus qu’une masse de fer.
Le fer est l’élément le plus stable, ultime
scorie de l’univers. On ne retire aucune
énergie nucléaire à le comprimer pour le
fusionner. Puisque la source d’énergie
nucléaire est tarie, le coeur de l’étoile
n’a d’autre issue que l’effondrement
gravitationnel.

Il en résulte une étoile à neutrons.
Le noyau de fer se scinde : protons et
électrons se combinent pour former
des neutrons, tandis que les neutrinos qui s’échappent emportent l’énergie
restante issue de la compression. Une
étoile à neutrons est comme un noyau
atomique géant, bondé de neutrons
entassés avec une densité telle qu’une
cuillère à café de ce matériau pèserait
un milliard de tonnes. L’émission de
neutrinos permet d’éjecter la couche
externe du coeur. L’essentiel de l’étoile
explose en supernova, expulsant dans
le milieu interstellaire du carbone, de
l’oxygène, du fer et d’autres éléments
encore. Ces éléments se mélangent
avec l’hydrogène ambiant et peuvent
se trouver recyclés en une nouvelle
génération d’étoiles.
Une supernova rayonne comme
plus d’un milliard de soleils. Lorsque
les étoiles meurent, elles deviennent
tellement brillantes qu’on peut les
détecter individuellement même dans
des galaxies très éloignées. Cela laisse
à penser que les supernovae pourraient
être de bons indicateurs de distance.

SUPERNOVÆ de Type I

Courbe de luminosité caractéristique en fonction du temps d’une supernova de type Ia (par rapport au Soleil Lo).

Les indicateurs de distance les plus
prometteurs ne sont pas les supernovae
provenant d’étoiles massives, décrites
ci-dessus, mais plutôt celles que
provoquent, à l’occasion, les étoiles les
moins lourdes en systèmes binaires.
Les naines blanches qui ont une
voisine proche peuvent absorber de
la matière de leur compagne (figure
ci-dessus) et devenir instables ; elles
finissent par s’effondrer et imploser dès
que leur coeur commence à former du
fer. Sous une pression considérable, le
fer se décompose en neutrons, protons
et neutrinos. Une énorme quantité d
‘énergie est libérée brusquement, dont
les neutrinos emportent une partie. Toute
l’étoile explose alors en supernova.
Il n’y a pas de résidus. Ce type de
supernova, qui provient généralement
d’étoiles peu massives, est dit « de type
I », pour les distinguer des explosions
qui sont le sort des étoiles très massives
et que l’on appelle « de type II ».
Les supernovæ de type I sont plus
lumineuses que celles de type II ; on
peut les détecter à plus grande distance.
La masse critique au-delà de laquelle
une naine blanche devient instable est de
1,4 masse solaire, valeur qui fut obtenue
pour la première fois par l’astrophysicien
indien de nationalité américaine
Subrahmanyan Chandrasekhar. Si l’on
en croit la théorie, l’énergie libérée
par l’effondrement gravitationnel ne
varie pas beaucoup pour les différentes
supernovæ du type I. En conséquence,
les supernovæ de ce type devraient
commencer avec la même luminosité
puis s’éteindre graduellement, toutes au
même rythme.

ETALONNAGE

On a pu observer des supernovae
de type I au sein de galaxies
voisines, dont la distance était
connue. Et, effectivement, non
seulement l’atténuation de la
lumière visible – la courbe de
lumière – est identique, mais en
outre la quantité totale de lumière
émise est également la même,
avec une bonne approximation.
La lumière provient de l’énergie
libérée par la désintégration
radioactive de l’élément 56Ni.
Cet isotope radioactif du nickel est
produit en quantités précises (et
énormes) lors de l’effondrement de
la couche externe du coeur de la naine
blanche. A peu près une moitié de masse
solaire de cet isotope instable du nickel
se désintègre pour donner du 56Fer, que

l’étoile rejette avec l’explosion du coeur
dans un flot de neutrinos. L’explosion
est totale, et toute la matière est
expulsée. Le spectre des supernovae
indique que sont éjectés principalement
du fer et des éléments lourds.
Les supernovæ de type I sont faciles
à détecter dans des galaxies distantes
d’une centaine de mégaparsecs et
permettent d’atteindre des distance de
plusieurs milliards d’années-lumière.
Ces supernovae sont donc actuellement
nos meilleurs indicateurs de distance.

UN UNIVERS EN ACCELERATION

SN 2005df près deNGC 1559
NGC 1559 dans la constellation du réticule :
la Supernova, SN 2005df, est visible comme
l’étoile brillante juste au dessus de la galaxie

Dans les années 1990, deux équipes
internationales d’astronomes se sont
mises à traquer des supernovae de
type Ia pour les utiliser comme phares
cosmiques afin de mesurer le taux
de décélération de l’univers. Ces
chercheurs étaient tous persuadés que
l’expansion de l’univers devait se
ralentir, la gravité de son contenu en
masse freinant l’impulsion initiale.
Après plusieurs années d’un travail
intense, les deux équipes purent
rassembler une cinquantaine de
supernovae chacune. En 1998, après
avoir mesuré la distance de chaque
supernova et la vitesse d’expansion de
l’univers à cette distance-là, les deux
groupes sont parvenus indépendamment
l’un de l’autre à une conclusion
extraordinaire qui a pris tout le monde
de court : l’univers a bien été en
décélération, mais seulement pendant
les sept premiers milliards d’années de
son existence. Ensuite, l’expansion de
l’univers n’a plus continué à ralentir. Au
contraire, elle a augmenté en vitesse.
L’univers en décélération est devenu un
univers en accélération.
Cette accélération pourrait être causée
par un mystérieux champ d’ « énergie
noire » baignant l’univers entier et qui
exercerait une force répulsive supérieure
à la force attractive de la matière.

CONCLUSION

La maîtrise de la mesure de chaque
échelon de distance dans l’univers
a réservé bien des surprises aux
astronomes : la parallaxe nous a montré
la grandeur de notre galaxie au-delà
du système solaire, les céphéides nous
ont permis de sortir de notre propre
galaxie pour appréhender l’immensité
de l’univers et les supernovae nous
confrontent à un nouveau challenge
avec une énergie noire d’origine
inconnue, qui accélère l’expansion de
l’univers !

Sources :
« Une brève histoire de l’Univers » de
Joseph SILK. et « Les voies de la lumière » de
Trinh Xuan Thuan.


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