Supernovas à antimatière

à lire absolument

L'article "Super-supernovae" d'Avishay Gal-Yam dans le "Pour la Science" de juillet [1] raconte la séquence de découvertes surprenantes déclanchées par l'étude attentive de quelques supernovas particulièrement violentes.

D'abord, l'auteur et ses collègues découvrent que des étoiles "hypermassives" de 100 masses solaires et plus explosent à la fin de leur courte vie, alors que la théorie prédit qu'elles ne devraient même pas exister.

Ensuite ils s'aperçoivent qu'à l'endroit où ont pété SN2005gl, SN2006gy ou SN2007bi, il ne reste qu'un gros nuage. A l'endroit de l'étoile, il n'y a ni trou noir, ni étoile à neutrons, ni petit bout de reste d'étoile moribonde, rien.

Pour rappel, les étoiles fusionnent des éléments légers en commençant par l'hydrogène, et quand elles en ont trop converti en hélium elles toussent, se contractent, chauffent, et démarrent la fusion de l'hélium en carbone, puis produisent de l'oxygène. A la fin de cette phase, les petites étoiles comme le Soleil ne chauffent plus assez pour continuer et s'éteignent lentement. Celles qui font plus de 10 masses solaires continuent en fusionnant l'oxygène en silicium, puis en fer. Et la nucléosynthèse s'arrête là, car la fusion du fer ne produit pas d'énergie.  L'étoile s'effondre littéralement sur elle même en fusionnant brutalement ce qu'il lui reste d'atomes légers en une magnifique supernova, laissant sur place une boule de fer qui peut se transformer en étoile à neutrons voire en trou noir.

Une évolution différente a été calculée dans les années 1960 pour des étoiles de plus de 140 masses solaires, mais comme on pensait que ces étoiles n'existaient pas, on l'avait un peu oubliée : la supernova par production de paires [2].

Selon cette théorie, ces étoiles une fois parvenues au stade de l'oxygène ne passent pas à la production de silicium car leur coeur ne se comprime pas assez. Mais les photons y sont assez énergétiques pour créer des paires d'électrons et de positrons selon la célèbre équation d'Albert m=E/c². Paradoxalement, l'énergie est donc "absorbée" sous forme de matière et d'antimatière, ce qui diminue la pression de radiation au coeur de l'étoile, lequel peut s'effondrer à loisir pendant quelques secondes. Et la fusion de l'oxygène démarre dans un coeur en train de se contracter et de surchauffer sous l'effet de l'annihilation des positrons qui se retrouveraient coincés contre des électrons. L'énergie dégagée en quelques minutes étant supérieure à l'énergie potentielle de gravitation de l'énorme étoile, sa matière est intégralement dispersée dans l'espace.

Ce qui est parfaitement conforme aux observations récentes. D'autre part, la théorie prévoit que l'explosion produit du nickel 56 radioactif, qui se désintègre en cobalt 56 puis en fer 56 stable, ce qui produit également une quantité considérable d'énergie plusieurs dizaines de jours après l'explosion. Re-conforme aux observations. Pour fixer les idées, SN2007bi a produit environ 7 masses solaires de nickel 56 ! Ca c'est du déchet radioactif, les amis !

A part cet extraordinaire phénomène, j'ai particulièrement aimé cet article du Pour la Science car il décrit la démarche des chercheurs, en principe rigoureuse mais tellement soumise aux aléas. La recherche, c'est aussi un ciel couvert qui ne permet de 15 mins d'observation pendant la nuit qu'on a réservée des mois à l'avance. Ce sont des voyages et des rencontres avec d'autres chercheurs pour vérifier les résultats, ou des confrères sceptiques sur les orientations de la recherche. Au total, 50 ans ont passé entre l'hypothèse théorique et sa validation. Avec la science, faut pas être pressé.

A lire absolument.

Références:

1. A. Gal-Yam, "Super-supernovae", 2012, Pour la Science, No 417 , p 20-25
2. Z. Barkat, G. Rakavy & N. Sack, "Dynamics of supernova explosion resulting from pair formation", 1967 Phys. Rev. Lett. 18, 379–381
3. A. Gal-Yam, P. Mazzali, E.O. Ofek, P.E. Nugent,S.R. Kulkarni, M.M. Kasliwal, R.M. Quimby, et al. "Supernova 2007bi as a pair-instability explosion", 2009 Nature, 462(7273), 624-7. Nature Publishing Group. doi:10.1038/nature08579