La formation des trous noirs stellaires ne se passe pas comme on le pensait...

C'est au cours des années 1930 que plusieurs physiciens, dont Robert Oppenheimer en particulier, comprennent que des étoiles devenant transitoirement aussi brillantes qu'une galaxie et que l'on ne voyait pas auparavant à l'œil nu sont en réalité des explosions d'étoiles que l'on appelle des novae et pour les plus puissantes, des supernovae. Dans ce dernier cas, et plus précisément en ce qui concerne la classe de supernovae dite SN II, une étoile s'effondre sur elle-même gravitationnellement pour devenir un astre compact.

Les trous noirs découverts par un mystique hindou ? Oppenheimer : partie II

Il y a presque deux semaines que le dernier blockbuster de Christopher Nolan, Oppenheimer, est sorti. Après la première partie d'un article consacré aux liens d'Oppenheimer avec l'hindouisme et la Bhagavad-Gita, nous abordons maintenant quelques aspects de son apport à la science du XXe siècle.... Lire la suite

Il peut s'agir d'une étoile à neutrons, mais aussi d'un trou noir, et on sait désormais que c'est le destin d'étoiles contenant plus de 8 masses solaires, les autres deviendront des naines blanches, c'est le cas de notre Soleil.

Au cours de ces mêmes années, les physiciens ont aussi été confrontés à une énigme en physique nucléaire, énigme qui a fait croire que l'énergie n'était peut-être pas conservée parfois avec cette physique, violant une des lois fondamentales de l'Univers connues.

Olivier Drapier, chercheur au laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique, CNRS, nous parle des neutrinos, ces particules de matière que l'on peut utiliser pour étudier les étoiles et l'Univers. © École polytechnique

Les neutrinos, ces particules quasi-fantômes !

Ce n'était pas acceptable pour le physicien Wolfgang Pauli qui préférait penser que dans les réactions de désintégration radioactive bêta, l'énergie qui semblait manquer était en fait emportée par une particule neutre et sans masse, comme un photon, mais interagissant très peu avec la matière au point de pouvoir traverser la Terre sans encombre, au contraire d'un photon. Incidemment, on a pensé un temps que les neutrinos aussi produits pendant la plus grosse explosion du cosmos, c'est-à-dire le Big Bang, pouvaient constituer la fameuse matière noire, mais celle dite chaude, et non celle dite froide, qui est à la base du modèle cosmologique standard aujourd'hui.

L'idée a rapidement été reprise par un autre physicien de génie, peut-être plus que Pauli, à savoir Enrico Fermi, qui baptisa la nouvelle particule du nom de « neutrino » - en gros, le petit neutron en italien. Il l'utilisa même pour proposer une théorie faisant intervenir une nouvelle force, la force nucléaire faible.

25 ans, une bascule : quand le Soleil semblait peut-être éteint… et révélait une nouvelle physique

La fin du XXe siècle a montré une connexion de plus en plus profonde entre la physique de l'infiniment petit et celle de l'infiniment grand. Cette connexion s'est poursuivie au cours du XXIe siècle, notamment en ce qui concerne les neutrinos, ces particules souvent fantomatiques. Au cours de ses 25 ans d'existence, Futura l'a bien montré dans de nombreux articles, dont certains examinaient même la possibilité que le Soleil soit éteint ou peu s'en faut...... Lire la suite

Cette théorie et celle des neutrinos vont considérablement se développer par la suite et les astrophysiciens vont réaliser que pour comprendre les explosions de supernovae SN II, il fallait utiliser la théorie des neutrinos.

Concrètement, quand une étoile s'effondre dans ce scénario, les atomes sont en quelque sorte comprimés au point de forcer leurs électrons à se combiner avec les protons, ce qui provoque l'émission des neutrinos de Pauli et Fermi et transforme les protons en neutrons.

Tout comme il existe une pression du rayonnement formé d'un gaz de photons dans les étoiles, cette transformation produit un rayonnement intense de neutrinos, dont le souffle puissant provoque en grande partie l'explosion d'étoiles en SN II.

La mythique nébuleuse du Crabe. C'est le reste d'une supernova de type SN II qui a donné naissance à une étoile à neutrons. © Nasa, ESA, J. Hester et A. Loll (Arizona State University)

Des neutrinos pour l'astrophysique

Mais au cours du dernier demi-siècle, ce schéma est devenu plus compliqué. On a d'abord découvert plusieurs types de neutrinos, trois à ce jour, et on a également réalisé, preuves à l'appui, que ces « saveurs » de neutrinos, comme disent les physiciens, se transformaient continuellement les unes dans les autres. C'est le fameux phénomène d'oscillation des neutrinos, dont l'ignorance avait pendant un temps suggéré que notre Soleil était en cours d'extinction.

Curieusement, à première vue, les astrophysiciens nucléaires et des particules n'avaient jamais vraiment penser jusqu'à présent à explorer la possibilité que ce phénomène d'oscillation pouvait modifier la théorie de la formation des étoiles à neutrons et des trous noirs.

Ce n'est visiblement pas le cas de Mariam Gogilashvili, postdoctorante à l'Institut Niels Bohr à Copenhague (Danemark) qui, en compagnie de Irene Tamborra, professeure à l'Institut Niels Bohr, responsable du groupe d'astrophysique des particules, vient de publier un article sur ce sujet, article dont une version en accès libre existe sur arXiv.

T2K confirme directement l'oscillation des neutrinos

Le phénomène d'oscillation des neutrinos n'a été démontré qu'en 1998 grâce au détecteur japonais Super-Kamiokande. La démonstration était indirecte, et on a tenté de le mesurer directement depuis lors. C’est ce qui vient d’être fait de façon incontestable pour la première fois grâce à l'expérience T2K. Expliquant le déficit en neutrinos solaires, ce phénomène pourrait aider à comprendre où est passée l'antimatière manquante de l'univers observable.... Lire la suite

« Nous savons depuis longtemps que les neutrinos peuvent changer de saveur. Mais nous supposions généralement que cela n'avait aucun effet sur l'issue même de l'explosion. Nos nouveaux résultats de recherche suggèrent que cette saveur peut nous renseigner sur le destin de l'étoile », explique Mariam Gogilashvili dans un communiqué où Irene Tamborra ajoute : « Simuler la mort d'une étoile massive se situe pratiquement à la limite de ce que nous sommes actuellement capables de faire sur le plan informatique. Cela tient au fait qu'il s'agit d'un problème faisant intervenir énormément de phénomènes physiques et extrêmement exigeant en puissance de calcul. »

On comprend donc que le problème n'était en fait pas traitable jusqu'à maintenant, car il était trop gourmand en calculs.

Les deux astrophysiciennes ont finalement conduit des simulations concernant l'effondrement de 195 étoiles, devant a priori exploser ensuite en SN II, et dont les masses étaient comprises entre 9 et 120 fois celle du Soleil. Surtout, elles ont comparé des modèles avec et sans prise en compte des oscillations des neutrinos.

Des supernovae manquantes

Il s'est avéré que le phénomène a bien un impact non négligeable et en particulier sur les étoiles dont les masses sont comprises entre 16 et 30 masses solaires.

« Ce fut un moment vraiment passionnant lorsque nous avons placé côte à côte les résultats des 195 simulations et constaté que toute une série d'étoiles passaient d'un scénario où elles explosaient à un scénario où l'explosion échouait. Le fait de voir apparaître un schéma aussi clair sur un si grand nombre d'étoiles nous a montré que la conversion de saveur des neutrinos est un phénomène que nous ne pouvons tout simplement pas laisser de côté lorsque nous cherchons à comprendre comment les étoiles massives achèvent leur vie », explique Mariam Gogilashvili.

Développons un peu. On savait déjà que, parfois, l'effondrement gravitationnel d'une étoile ayant épuisé son carburant nucléaire est si rapide que l'étape de l'explosion en SN II ne se produit pas !

L'étoile passe directement à la case trou noir, sa matière pénétrant avant cette explosion sous l'horizon des événements d'un trou noir de la masse de l'étoile considérée et dont rien, pas même la lumière, ne peut sortir.

L'oscillation des neutrinos rendrait donc ce phénomène plus fréquent et c'est une piste pour expliquer justement une énigme de l'astrophysique.

La théorie de la formation des SN II classique nous dit en effet qu'il devrait y en avoir plus qu'on en observe dans les galaxies.

La raison en est peut-être que, justement, celles qui sont manquantes sont celles que les oscillations de neutrinos suppriment en donnant directement des trous noirs, alors que les autres naissances de trous noirs se passent bien comme on l'imaginait, avec une supernova SN II bien visible.