Formation trou noir et supernovae

[kite4life]

Salut a tous,
Je ne sui pas specialiste en astrophysique, juste un amateur passionné, j'ai cette question en tete depuis un moment:

J'entend souvent, ou je lis dans des articles la chose suivante concernant les supernovae.

L'etoile transforme tout son combustible peu a peu en fer. Lorsque l'on atteint une certaine masse critique de fer, le noyau s'effondre et forme un trou noir ou etoile a neutron. Bon jusque la ca va, ca me parait "intuitif".

Par contre je ne comprend pas la chose suivante:

Lors de son implosion en trou noir, le noyau genere une onde de choc qui provoque l'explosion de l'etoile => supernovae.
Je ne comprend pas ce qu'est cette onde de choc, je ne la "vois" pas, intuitivement. Je ne vois pas en quoi un noyau qui s'effondre provoque une explosion en surface...

Quelqu'un peut-il m'eclairer, avec des explications simple?

Je me dit qu'il doit exister un sorte de couche limite en dessous de laquelle, le noyau s'effondre et au-dessus de laquelle les couchent externes exploses... mais je comprend pas ce qui s'y passe...

merci.

@+
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[Deedee81]

Salut,

En fait, l'arrêt de la combustion est vraiment brutal. La pression de radiation s'arrête et les couches extérieurs tombent alors en chute libre sur le noyau de fer.

Ce sont des milliards de milliards de tonnes de matière qui tombent à la vitesse d'un avion supersonique sur le noyau. Imagine la "bang". Cela entraine une élévation colossale de la température et à l'interface noyau/couches extérieurs de puissantes réactions nucléaires (avec synthèse d'éléments lourds). Comme les couches extérieurs apportent aussi de l'hydrogène frais, la réaction est fortement exothermique. Enormément d'énergie est dégagée en une fraction de seconde.

Il se produit alors deux choses :
- le choc extrêmement violent + cette réaction nucléaire violente provoque une contraction brutale du coeur (=> trou noir ou étoile à neutrons)
- le rebond de la matière poussée en plus par ces réactions => c'est l'onde de choc qui se propage vers l'extérieur

[Gilgamesh]

Salut,

En fait, l'arrêt de la combustion est vraiment brutal. La pression de radiation s'arrête et les couches extérieurs tombent alors en chute libre sur le noyau de fer.

Il n'y a pas d'arrêt de combustion au sens où on a toujours un magma de noyaux plus ou moins concassé par le rayonnement gamma qui continuent de réagir.

Mais la stabilité d'une masse est gouvernée par l'équation d'état qui relie sa pression P à sa densité rho



si a passe en dessous de 4/3 une augmentation de la densité du fait de l'effondrement de la masse sur elle même n'augmente pas assez la pression pour juguler le sucroit d'attraction gravitationnelle résultant du fait que les masses se sont rapprochées. Et donc en dessous de 4/3, plus ça se contracte, plus ça se contracte et l'effondrement se produit à une vitesse foudroyante (ici qq dixièmes de seconde).

Or, 4/3 c'est l'exposant qui s'applique à une masse qui n'a QUE la radiation pour résister. Du coup, dans un coeur très très chaud où l'essentiel de la pression est régit par la pression de radiation, la moindre perte de pression du soit à des processus entropiques (photodissociation des noyau) soit à la conversion en rayonnement neutrinique (plus efficaces quand la température dépasse le GK) devient catastrophique.

[kite4life]

Merci a tout les deux pour vos reponses!

Si je comprend bien la reponse de deedee81 la chute brutale de toute les masse vers le centre reactive (ou intensifie) une reaction nucleaire, elle meme violente et qui provoque l'explosion. Je crois bien comprendre que c'est surtout cette reaction qui renvoi les masses puisque le rebond seul ne devrai pas pouvoir renvoyer les masses plus haut que de la ou elles sont tombées.

Gilgamesh, je n'ai pas eu de formation en astrophysique, mais j'ai un assez bon niveau en physique (math sup, math spé) donc je pense avoir compris votre réponse a ceci pres que je ne connaissais pas cette equation d'etat et donc je ne sais pas ce qu'est le "a". Il depend de quoi? Comment peut-il varier et passer en dessous de 4/3? Ou plus simplement, cette equation porte-t-elle un nom pour que j'aille me renseigner? Elle semble fondamentale dans l'explication du processus, je la trouve interessante!

Merci

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Mais la stabilité d'une masse est gouvernée par l'équation d'état qui relie sa pression P a sa densité rho

Merci des ces précisions qualitatives et quantitatives.

P.S. : Le 'a', je ne sais pas non plus, je suppose que c'est lié à la matière nucléaire.

[Gilgamesh]

Merci a tout les deux pour vos reponses!

Si je comprend bien la reponse de deedee81 la chute brutale de toute les masse vers le centre reactive (ou intensifie) une reaction nucleaire, elle meme violente et qui provoque l'explosion. Je crois bien comprendre que c'est surtout cette reaction qui renvoi les masses puisque le rebond seul ne devrai pas pouvoir renvoyer les masses plus haut que de la ou elles sont tombées.

Les réactions nucléaires sont relativement secondaires dans le bilan énergétique d'une SN gravitationnelle. Le moteur c'est, comme son nom l'indique, la gravité.

La contraction brutale du coeur libère une gigantesque quantité d'énergie gravitationnelle.



Pour une masse solaire qui s'effondre en étoile à neutron (R ~ 10 km) cela représente en ordre de grandeur ce que le Soleil va rayonner durant 10 Ga : la gravité, c'est surpuissant. On peut considérer en quelque sorte que c'est l'énergie de liaison (négative) du reliquat (étoile à neutron ou trou noir) qui, injectée dans l'enveloppe (sous forme d'onde de choc et de neutrinos) provoque son expulsion. Au passage, au sein de l'enveloppe le flux de neutrinos "chauds" (qq dizaine de MeV) provoque un énorme production de neutrons et le bombardement de la matière par ces neutrons néo produits va engendrer une grosse bouffée de nucléosynthèse. Les noyaux lourds produits sont pour une part instable et une cascade de désintégration va ensuite chauffer l'enveloppe de la SN pendant plusieurs mois (Ni 56 -> Co 56 -> Fe 56). Les réactions nucléaire jouent donc bien un rôle dans la propagation de l'onde de choc et la chauffage du rémanent. Mais le boss là dedans, c'est quand même gravité.

Gilgamesh, je n'ai pas eu de formation en astrophysique, mais j'ai un assez bon niveau en physique (math sup, math spé) donc je pense avoir compris votre réponse a ceci pres que je ne connaissais pas cette equation d'etat et donc je ne sais pas ce qu'est le "a". Il depend de quoi? Comment peut-il varier et passer en dessous de 4/3? Ou plus simplement, cette equation porte-t-elle un nom pour que j'aille me renseigner? Elle semble fondamentale dans l'explication du processus, je la trouve interessante!

Merci

Je regarderais dans mon cours d'astrophysique mais disons simplement que c'est une formulation très générique du problème. On modélise grossièrement l'équation d'état en disant que la matière "répond" à une augmentation de la densité par une augmentation de la pression selon une loi de puissance. Et on montre théoriquement que si l'exposant est inférieur à 4/3 l'astre est instable.

On retrouve ceci dans le calcul de la limite de stabilité des naines blanches (limite de Chandraskhar). En condition relativiste, l'équation d'état de la matière dégénérée est du type

: ça tient...

Mais quand la matière devient ultra relativiste, cad que l'énergie de masse des particules (électrons) devient petite par rapport à celle que leur donne leur impulsion, cad quand dans l'expression de l'énergie relativiste le premier terme devient négligeable devant le second, l'équation d'état change et tend vers

: ça craque !

[kite4life]

Merci encore une fois pour votre reponse.
Je suis un peu etonné de voir intervenir l'energie gravitationnelle...
Je me souviens d'un resultat ou l'on demontrais qu'un observateur placé a l'exterieur d'une sphere de masse m percois une force de gravité qui est independante du rayon de la sphere...
mais bon... je vais ptetre revoir mes cours de meca, ca fait un peu longtemps tt ca...

@+

[Gilgamesh]

Merci encore une fois pour votre reponse.
Je suis un peu etonné de voir intervenir l'energie gravitationnelle...
Je me souviens d'un resultat ou l'on demontrais qu'un observateur placé a l'exterieur d'une sphere de masse m percois une force de gravité qui est independante du rayon de la sphere...

Mais pas de sa densité. Quand une sphère se contracte, sa densité augmente en 1/R^3 et la gravité qui s'exerce sur chaque point augmente en conséquence. La force travaille (la sphère diminue son volume) et en travaillant, son intensité augmente encore.

[Mailou75]

Salut,

Mais pas de sa densité. Quand une sphère se contracte, sa densité augmente en 1/R^3 et la gravité qui s'exerce sur chaque point augmente en conséquence.

Quand on se trouve sur la surface oui, mais il parle du cas où l'observateur est à distance.
Dans ce cas la gravité ressentie ne dépend que de la masse de l'astre, pas de sa densité.

[Gilgamesh]

Ah en effet j'ai lu à l'intérieur et non à l'extérieur.

Ce qui est pertinent dans le cas d'un effondrement gravitationnel, c'est bien le champs à l'intérieur de l'astre.

[kite4life]

merci a tt les 2.
Je suis tout a fait d'accord que le champ de gravitation depend de la densité de l'astre pour un observateur qui serait placé à l'interieur.
Par contre, pour un observateur placé à l'exterieur, le champ de gravité ne depend pas de la densité de l'astre. Du coup, si l'on reprend le post #6 ou vous disiez que la clef de l'explication c'est la force de gravité/ l'energie gravitationnelle liberée, par quel processus cette energie peut elle se retrouver dans les couches superieures de l'etoile qui explose?
Ces couches ne devraient pas être affectées par l'effondrement du coeur car elles sont situées à l'exterieur ( en tout cas elles ne devraient pas etre affectée dirrectement par l'energie gravitationelle... mais peut être par un processus indirect)

[Rincevent]

Bonsoir

L'effondrement (chute libre du coeur) qui commence grossièrement dès que les électrons sont relativistes (cf ce que Gilgamesh dit sur les exposants adiabatiques) transforme l'énergie gravitationnelle en énergie cinétique mais également en énergie d'interaction locale du fait de la compression. Cela conduit à la photodissociation des noyaux et à des captures électroniques qui résultent en une production importante de neutrons (et neutrinos) mais ce n'est pas ce qui compte pour l'expulsion des couches externes (même si les neutrinos ainsi que des mouvements convectifs et des oscillations dipolaires sont des ingrédients importants pour bien réussir sa supernova gravitationnelle explosive).

Ce qui joue le rôle dominant pour l'explosion c'est qu'en première approximation le noyau de fer est une grosse boule de nucléons qui se comprime sous son propre poids. Or, l'interaction forte entre nucléons (qui n'est qu'une interaction effective issue de l'interaction de couleurs entre les quarks) est attractive à "grande" distance mais répulsive à plus courte distance, ce qui a pour conséquence une sorte d'incompressibilité et donc un rebond du noyau en effondrement dans une supernova gravitationnelle. Ce rebond se produit alors que les couches externes sont encore en chute libre (car ce qu'elles avaient sous les pieds a disparu) d'où l'onde de choc.

On peut (par exemple) modéliser ça en disant qu'à longue portée (on reste quand même autour du femtomètre) l'interaction forte se fait par échange de pions (cf le modèle de Yukawa), mais qu'à plus petite distance (= plus haute énergie) d'autres mésons plus massifs interviennent, en particulier des mésons vectoriels dont "l'échange" donne une interaction répulsive entre particules de même type. Voir par exemple force nucléaire sur wikipédia.

ps : y'a une façon impressionnante de voir ce mécanisme à l'action : il suffit de laisser tomber 2 boules élastiques dont l'une est posée sur l'autre. Le rebond, sur le sol, de celle qui est en dessous va expulser celle qui est au-dessus... à une vitesse assez importante qui dépend des compressibilités des balles...

[Nicolas321]

Bonjour,

J'ecoutais la lecture de Susskind de relativite generale concernant les trous noirs ( lecture 7 il me semble sur youtube) et il expliquait que vu de l'exterieur du trou noir, ce qui tombe dans le trou noir semble mettre un temps infini a arriver a l'horizon.

Donc est-ce que les trous noirs, comme les trous noir stellaires sont reellemenent formes, ou bien en train de s'effondrer?

Il explique aussi que l'espace temps est plat a l'horizon, donc comment se fait-il que le facteur de contraction des distances devienne infini a l'horizon?