Supernovas de Type II, Physique Nucléaire et mécanique quantique Pierre-Yves Blais, Jan 07

Supernovas de Type II,Supernovas de Type II,Physique Nucléaire et Physique Nucléaire et mécanique quantiquemécanique quantique

Pierre-Yves Blais, Jan 07

Types de SupernovasTypes de Supernovas

Type IType I Les supernovas de type Les supernovas de type IaIa n'ont pas n'ont pas

d’hydrogène présent dans leur spectres. d’hydrogène présent dans leur spectres. On pense généralement qu'elles sont On pense généralement qu'elles sont causées par l'explosion d'une naine causées par l'explosion d'une naine blanche approchant ou ayant atteint la blanche approchant ou ayant atteint la limite de Chandrasekhar (limite de Chandrasekhar (~~1.4Mo) par 1.4Mo) par accrétion de matière provenant daccrétion de matière provenant d’une ’une étoile voisineétoile voisine..

Type IaType Ia

Types de SupernovasTypes de Supernovas

Type IIType II Les supernovas de type Les supernovas de type IIII ont de ont de

l’hydrogène présent dans leur l’hydrogène présent dans leur spectres. Elles sont causées lorsque spectres. Elles sont causées lorsque les réactions nucléaires cessent dans les réactions nucléaires cessent dans le cœur d’étoiles massives (le cœur d’étoiles massives (>8Mo)>8Mo) et et entraînent l’implosion du coeur de entraînent l’implosion du coeur de l’étoile. l’étoile.

Évolution vers Type IIÉvolution vers Type II Étoile de 25 masses Étoile de 25 masses

solairesolaire TToo = 60 millions = 60 millions ooC vsC vs

TToo soleil = 15 millions soleil = 15 millions ooCC Densité = 50,000 kg/mDensité = 50,000 kg/m33

Cycle H – » He Cycle H – » He Tsn – 7.5 millions Tsn – 7.5 millions

d’années vs 10 milliard d’années vs 10 milliard d’années pour Soleild’années pour Soleil






Coeur (~20% du rayon)Couches supérieures






Cycle de l’hydrogèneCycle de l’hydrogène

Chaîne PP (proton – proton)Chaîne PP (proton – proton)11H + H + 11H → H → 22H + eH + e++ + νe + 0.42 MeV + νe + 0.42 MeVee++ + e + e-- → 2γ + 1.02 MeV → 2γ + 1.02 MeV

Chaîne PP I : 86% énergie du Chaîne PP I : 86% énergie du soleilsoleil

TToo =10 à 14 Millions =10 à 14 Millions ooCC

22H + H + 11H → H → 33He + γ + 5.49 MeV He + γ + 5.49 MeV

33He + He + 33He → He → 44He + He + 11H + H + 11H + 12.86 H + 12.86 MeV MeV


Chaîne PP (proton – proton)Chaîne PP (proton – proton)11H + H + 11H → H → 22H + eH + e++ + νe + 0.42 MeV + νe + 0.42 MeV ee++ + e + e-- → 2γ + 1.02 MeV → 2γ + 1.02 MeV





+ +

+


Chaîne PP (proton – proton)Chaîne PP (proton – proton)11H + H + 11H → H → 22H + eH + e++ + νe + 0.42 MeV + νe + 0.42 MeV ee++ + e + e-- → 2γ + 1.02 MeV → 2γ + 1.02 MeV





+ +

+

+ +

+ +


Chaîne Chaîne PP (proton – proton)PP (proton – proton)11H + H + 11H → H → 22H + eH + e++ + νe + 0.42 MeV + νe + 0.42 MeV ee++ + e + e-- → 2γ + 1.02 MeV → 2γ + 1.02 MeV

Chaîne Chaîne PP I : 86% énergie du PP I : 86% énergie du soleilsoleil




+ +

+

+ +

+ +

+ ++ +

+

+ + +


Chaîne Chaîne PP II : 14% PP II : 14% énergie du soleilénergie du soleil

TToo = 14 à 23 Millions = 14 à 23 Millions ooC C

33He + He + 44He → He → 77Be + γBe + γ77Be + eBe + e--→→77Li + νeLi + νe77Li + Li + 11H → H → 44He + He + 44He He


Chaîne Chaîne PP III – (0.11% PP III – (0.11% énergie du soleil)énergie du soleil)

TToo >23 >23 Millions Millions ooCC

33He + He + 44He →He →77Be + γBe + γ77Be + Be + 11H →H →88B + γB + γ88B → B → 88Be + eBe + e++ + νe + νe 88Be↔Be↔44He + He + 44He He

Expérience à tenter à la Expérience à tenter à la maisonmaison

100g H + 100g H =

Masse manquante = 1.43 g

E=mc2

E = 1.3x1016 JoulesE = ~30 kilo-tonnes de TNT

Hiroshima = ~12-15 kilo-tonnesSoleil "désintègre" 4 millions de tonnes d’hydrogène par seconde !!Ou 6,000,000,000,000 Hiroshima chaque seconde…

+ =

198.57g He

HydrogHydrogène du cœur est ène du cœur est consuméconsumé

Les réaction H Les réaction H → → He dans le He dans le cœur diminuent, les couches cœur diminuent, les couches extérieures se contractent et extérieures se contractent et entraînent le réchauffement du entraînent le réchauffement du cœurcœur

TToo grimpe à 230 millions grimpe à 230 millions ooCC Fusion Hélium – Carbone Fusion Hélium – Carbone

débutedébute Fusion de l’hydrogène dans les Fusion de l’hydrogène dans les

couches entourant le coeur couches entourant le coeur entraîne le réchauffement et la entraîne le réchauffement et la dilation des couches dilation des couches d’hydrogène supérieuresd’hydrogène supérieures

Évolution versÉvolution versSuper Géante rougeSuper Géante rouge

Bételgeuse vue par Hubble

Évolution versÉvolution versSuper Géante rougeSuper Géante rouge

Soleil

Super géante VV Cephei B- 1600-1900 diamètre soleil

Images de la surface de Bételgeuse prises par Images de la surface de Bételgeuse prises par HubbleHubble

M = 15 Mo (masses solaires)M = 15 Mo (masses solaires) 500-800 diamètres solaire500-800 diamètres solaire Tsn – 1000 à 10,000 ansTsn – 1000 à 10,000 ans

700 nm 905 nm 1250 700 nm 905 nm 1250 nmnm

(Rouge) (infrarouge très proche) (infra rouge (Rouge) (infrarouge très proche) (infra rouge proche)proche)

Super Géante Rouge: Super Géante Rouge: BételgeuseBételgeuse

Cycle du carbone & Cycle du carbone & oxygèneoxygène

TToo = 230 Million = 230 Million ooCC Densité = 700,000 kg/mDensité = 700,000 kg/m33

Tsn – 500,000 ansTsn – 500,000 ans Fusion Hélium - CarboneFusion Hélium - Carbone44He + He + 44He ↔ He ↔ 88Be + photon Be + photon 88Be + Be + 44He ↔ He ↔ 1212C + γ + 7.367 MeV C + γ + 7.367 MeV

Fusion Carbone - OxygèneFusion Carbone - Oxygène1212C + C + 44He → He → 1616O + γ O + γ

Fusion du carboneFusion du carbone TToo = 930 Million = 930 Million ooCC Densité = 200,000,000 kg/mDensité = 200,000,000 kg/m33

Tsn – 600 ansTsn – 600 ans Fusion CarboneFusion Carbone

1212C + C + 1212C → p + C → p + 2323Na Na 1212C + C + 1212C → C → 44α + α + 2020Ne Ne 1212C + C + 1212C → n + C → n + 2323MgMg

Fusion du NéonFusion du Néon TToo = 1.7 Milliard = 1.7 Milliard ooCC Densité = 4,000,000,000 kg/mDensité = 4,000,000,000 kg/m33 Tsn – 1 anTsn – 1 an Fusion NéonFusion Néon

2020Ne + γ → Ne + γ → 44α + α + 1616O O 2020Ne + Ne + 44α → γ + α → γ + 2424Mg Mg

Fusion de l’oxygèneFusion de l’oxygène TToo = 2.3 Milliard = 2.3 Milliard ooCC Densité = 10,000,000,000 kg/mDensité = 10,000,000,000 kg/m33 Tsn – 6 moisTsn – 6 mois Fusion OxygèneFusion Oxygène

1616O + O + 1616O → p + O → p + 3131P P 1616O + O + 1616O → α + O → α + 2828Si Si 1616O + O + 1616O → n + O → n + 3131Si Si

Apparition chlore, argon, Apparition chlore, argon,

potassium, calcium, titane,potassium, calcium, titane,

etc.etc.

Fusion du siliciumFusion du silicium TToo = 4.1 Milliard = 4.1 Milliard ooCC Densité = 30,000,000,000 kg/mDensité = 30,000,000,000 kg/m33 Tsn – 1 jourTsn – 1 jour Fusion SiliciumFusion Silicium

2828Si + p + α + n → Si + p + α + n → 3434Fe Fe

Fusion du siliciumFusion du silicium TToo = 4.1 Milliard = 4.1 Milliard ooCC Densité = 30,000,000,000 kg/mDensité = 30,000,000,000 kg/m33 Tsn – 1 jourTsn – 1 jour Fusion SiliciumFusion Silicium

2828Si + p + α + n → Si + p + α + n → 3434Fe Fe Fusion du fer en Fusion du fer en éléments plus éléments plus lourd (ex: Au, Pb, etc) lourd (ex: Au, Pb, etc) estest endothermique = le fer endothermique = le fer absorbe de l’énergie pour fusionnerabsorbe de l’énergie pour fusionner Arrêt fusion dans le coeur Arrêt fusion dans le coeur

État final de l’étoileÉtat final de l’étoile

• 50% de la masse de l’étoile est concentrée dans le coeur

Arrêt des réactions dans Arrêt des réactions dans le coeurle coeur

Écrasement du cœur par Écrasement du cœur par

couches externescouches externes TToo : : 4.1 4.1 →→ 7.1 Milliard 7.1 Milliard ooCC

en 1 journéeen 1 journée Cœur de fer dégénéré empêcheCœur de fer dégénéré empêche

l’écrasement du cœurl’écrasement du cœur Fer dégénéré?Fer dégénéré?

Physique QuantiquePhysique Quantique Lois de la physique qui gouvernent le Lois de la physique qui gouvernent le

comportement des particules élémentaires comportement des particules élémentaires (électron, proton, neutron, photons, quarks, (électron, proton, neutron, photons, quarks, etc…)etc…)

Louis de Broglie 1892-1987Louis de Broglie 1892-1987 Nobel de physique 1929 – Nobel de physique 1929 –

‘Recherches sur la Théorie des ‘Recherches sur la Théorie des Quanta’Quanta’

Théorie sur la nature ondulatoire Théorie sur la nature ondulatoire des particulesdes particules

Une particule (ex: électron) est a la fois une Une particule (ex: électron) est a la fois une particule et une ondeparticule et une onde

λ λ = hc/E = hc/E λλ : Longueur d’onde : Longueur d’onde c : vitesse de la lumièrec : vitesse de la lumière h : constante de Planckh : constante de Planck E : énergie de la particuleE : énergie de la particule

E = mcE = mc22 + E + Ekk

λλ = h/mc = h/mc

Électron est onde et Électron est onde et particuleparticule

λλ Électron: 2.4 x 10e-12 mλλ Proton: 1.3 x 10e-15m

Rayon électron: 10e-18 mRayon proton: 0.8 x 10e-

15mλλ

Électron: onde et particule

Dimension relative des Dimension relative des électrons vs protonsélectrons vs protons

Électron: Rayon électron: ~10e-18 m

Proton: Rayon proton: 0.8 x 10e-15 m

~1000 : 1

λλ = 2.4 x 10e-

12 mλλ = 1.3 x 10e-

15 m

~1 : 1000

Principe d’exclusionPrincipe d’exclusion

Waulfgang Pauli, 1900-1958Waulfgang Pauli, 1900-1958 Nobel de physique 1945 – Nobel de physique 1945 –

‘Principe d’exclusion’ : Deux ‘Principe d’exclusion’ : Deux particules ne peuvent pas se particules ne peuvent pas se trouver au même endroit dans le trouver au même endroit dans le même état quantique… même état quantique…

Deux particules identiques ne Deux particules identiques ne peuvent occuper le même espace de peuvent occuper le même espace de dimension égal à leur longueur dimension égal à leur longueur d’onded’onde

Pression électronique de Pression électronique de dégénérescencedégénérescence

Électrons

Pression de dégénérescence

Matière dégénéréeMatière dégénérée

Atomes FerAtomes Fer : Pour chaque atome de : Pour chaque atome de fer, il existe 26 électronsfer, il existe 26 électrons

ÉlectrÉlectronon





Matière dégénérée (Constituant des naines Matière dégénérée (Constituant des naines blanches) – » Pression de dégénérescence blanches) – » Pression de dégénérescence stoppe l’écrasement du coeurstoppe l’écrasement du coeur

Densité naine blanche 1 Mo (carbone & Densité naine blanche 1 Mo (carbone & oxygène dégénéré): 1,000,000,000,000 kg/moxygène dégénéré): 1,000,000,000,000 kg/m33

Densité cœur étoile 25 Mo avant écrasement Densité cœur étoile 25 Mo avant écrasement cœur (fer dégénéré) : 3,600,000,000,000,000 cœur (fer dégénéré) : 3,600,000,000,000,000 kg/mkg/m33

~10~10 Masses solaire dans un rayon de 200 km Masses solaire dans un rayon de 200 km

Fusion électron + proton : e Fusion électron + proton : e -- + p + p++ ↔ n ↔ noo + νe + νe

Écrasement coeurÉcrasement coeurTToo = 7.1 milliard = 7.1 milliard ooCC

TToo = 7.1 milliard = 7.1 milliard ooCC

Écrasement coeurÉcrasement coeur



νeνe

νe

νe

νe

νe

νe

νe

νe

νeνe

νe

νe

νe

νe

νeνe

νeνe

νeνe

νeνe

νeνe

νeνeνeνe

νeνe

νeνe

νeνe

νeνe

NeutronsNeutronsNeutronsNeutronsNeutrino – Neutrino – 99% 99% énergie de la énergie de la supernovasupernova



Étoile à neutronsÉtoile à neutrons

Neutrons dégénérés Neutrons dégénérés


TToo = 7.1 Milliard = 7.1 Milliard ooC C Fusion Proton - ÉlectronFusion Proton - Électron

e e -- + p + p++ ↔ n ↔ noo + + νeνe Diamètre coeur passe deDiamètre coeur passe de 6400km (1/2 rayon diamètre 6400km (1/2 rayon diamètre

terre ) à 100 km en 1/10sec et terre ) à 100 km en 1/10sec et à 20 km en 1 secà 20 km en 1 sec

Densité passe de Densité passe de 3,600,000,000,000,000 kg/m3,600,000,000,000,000 kg/m33

à à 2,000,000,000,000,000,000 kg/m2,000,000,000,000,000,000 kg/m33

Ou simplement Ou simplement 2000 Milliards de tonnes/cm2000 Milliards de tonnes/cm33

SupernovaSupernova

TToo = 7.1 Milliard = 7.1 Milliard ooC C Fusion Proton - ÉlectronFusion Proton - Électron

e e -- + p + p++ ↔ n ↔ noo + νe + νe Diamètre coeur passe deDiamètre coeur passe de 6400km (1/2 rayon diamètre 6400km (1/2 rayon diamètre

terre ) à 100 km en 1/10sec et terre ) à 100 km en 1/10sec et à 20 km en 1 secà 20 km en 1 sec

Densité passe de Densité passe de 3,600,000,000,000,000 kg/m3,600,000,000,000,000 kg/m33

à à 2,000,000,000,000,000,000 kg/m2,000,000,000,000,000,000 kg/m33

Ou simplement Ou simplement 2000 Milliards de tonnes/cm2000 Milliards de tonnes/cm33

Mécanisme de Mécanisme de l’explosionl’explosion

Supernova SN1987ASupernova SN1987A

Mécanismes de Mécanismes de l’explosionl’explosion

A) Couches de l’étoileA) Couches de l’étoile B) Écrasement du cœur (flèches blanches) et des B) Écrasement du cœur (flèches blanches) et des

couches supérieures (flèches noires)couches supérieures (flèches noires) C) Formation étoile à neutronsC) Formation étoile à neutrons D) Couches supérieures de l’étoile rebondissent sur D) Couches supérieures de l’étoile rebondissent sur

l’étoile à neutron et engendrent une onde de choc l’étoile à neutron et engendrent une onde de choc (rouge) qui se propage vers l’extérieur à environ (rouge) qui se propage vers l’extérieur à environ 15,000 km/s15,000 km/s

E) Onde de choc perds de l’énergie dans les couches E) Onde de choc perds de l’énergie dans les couches supérieures (Éléments plus lourds et isotopes sont supérieures (Éléments plus lourds et isotopes sont crées par absorption de neutron) mais est re-énergisée crées par absorption de neutron) mais est re-énergisée par le flux massif de neutrinos provenant du cœur.par le flux massif de neutrinos provenant du cœur.

F) Onde choc atteint les couches supérieures en F) Onde choc atteint les couches supérieures en quelques heures qui sont éjectées laissant derrière le quelques heures qui sont éjectées laissant derrière le cœur (étoile à neutrons). cœur (étoile à neutrons).

SupernovaSupernova

Énergie dégagée : 10Énergie dégagée : 10ee28 ou28 ou 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000

mégatonnesmégatonnes Équivalent de 0.15 Mo (E=mcÉquivalent de 0.15 Mo (E=mc22) convertie en énergie) convertie en énergie

99% énergie dégagée sous forme de neutrinos: 99% énergie dégagée sous forme de neutrinos: νeνe 1% sous forme d’énergie cinétique dans gaz (onde 1% sous forme d’énergie cinétique dans gaz (onde

de choc)de choc) 1/1000 sous forme lumière1/1000 sous forme lumière

Éléments plus lourds (U, Pb, Au, etc.) sont crées par Éléments plus lourds (U, Pb, Au, etc.) sont crées par absorption de neutron au moment de l’explosionabsorption de neutron au moment de l’explosion

Luminosité résiduelle suivant l’explosion provient de Luminosité résiduelle suivant l’explosion provient de la désintégration des isotopes (Cobalt, Nickel) crées la désintégration des isotopes (Cobalt, Nickel) crées lors de l’explosion par le flux de neutrons.lors de l’explosion par le flux de neutrons.

Tableau périodique des Tableau périodique des élémentséléments

Mendeleev1834 - 1907Russie

Après l’explosion…Après l’explosion…

L'évolution de l'étoile dépend alors de la masse restante L'évolution de l'étoile dépend alors de la masse restante du noyau de fer qui a implosé.du noyau de fer qui a implosé.

Si cette masse est inférieure à MCh, appelée aussi Si cette masse est inférieure à MCh, appelée aussi limite de Chandrasekharlimite de Chandrasekhar et qui vaut environ et qui vaut environ 1,44 1,44 fois la fois la masse solaire, le reste de l'étoile finit en naine blanche. masse solaire, le reste de l'étoile finit en naine blanche.

Si cette masse est supérieure à 1.44 et inférieure à Si cette masse est supérieure à 1.44 et inférieure à approximativement approximativement 33 masses solaires, le reste de masses solaires, le reste de l'étoile finit en étoile à neutrons l'étoile finit en étoile à neutrons

Si, enfin, cette masse est supérieure à 3, la pression de Si, enfin, cette masse est supérieure à 3, la pression de dégénérescence des neutrons ne peut vaincre la dégénérescence des neutrons ne peut vaincre la gravité, le reste de l'étoile continue de s’effondrer et gravité, le reste de l'étoile continue de s’effondrer et forme un trou noir.forme un trou noir.

Après l’explosion…Après l’explosion…

Étoile à neutron Trou noirÉtoile à neutron Trou noir 3 M3 Moo > M > 1.44 M > M > 1.44 Mo o M > 3 M M > 3 Moo

M : Masse résiduelle


SN1987A:•Nébuleuse Tarentule•Nuage Magellan•23 Février 1987•Magnitude 3


•Onde de choc heurtant les couches éjectées lors de la phase de dilatation il y a 20,000 ans

M1M1

Image combinée lumière visible et rayon X

Étoile à Neutrons Disque d’accrétion

Jets

SN1604 – Supernova SN1604 – Supernova KeplerKepler

SN1994DSN1994D

Type 1a : SN1994D dans NGC4526

SN1572 – Supernova SN1572 – Supernova TychoTycho

Type 1a

N132DN132D

• Grand nuage de Magellan 160,000 AL• Explosion il y a 3000 ans

Cassiopée ACassiopée A

• Cassiopée 10,000 AL• Explosion en 1600

Nébuleuse GuitarNébuleuse Guitar

• Étoile à neutron B2224+65 filant à 1600 km/s résultant d’une explosion asymétrique du coeur

Évolution StellaireÉvolution Stellaire

Évolution au cours du temps d'une étoile massive de 25 MS

Combustible Résidus Durée Température Densité en kg/m3

Hydrogène Hélium 7 x 106 années 60 x 106 K 50 x 103

Hélium Carbone ; Oxygène 500 000 années 230 x 106 K 700 x 103

CarboneOxygène ; Néon ;

Sodium ; Magnésium

600 ans 930 x 106 K 200 x 106

NéonOxygène ;

Magnésium1 an 1,7 x 109 K 4 x 109

Oxygènedu Magnésium au

Soufre6 mois 2,3 x 109 K 10 x 109

SiliciumFer et éléments

proches1 jour 4,1 x 109 K 3 x 1010

FerÉtoile Neutron/Trou

Noir1 sec >7.1 x 109 K >3.6 x 1015

Évolution StellaireÉvolution StellaireMasse de l'étoile

(en masses solaires, Mo)30 Mo 10 Mo 3 Mo 1 Mo 0,3 Mo

Luminosité pendant laséquence principale (Soleil=1)

10 000 1 000 100 1 0,004

Vie sur séquence principale(en milliards d'années)

0,06 0,10 0,30 10 800

Les réactions nucléairess'arrêtent aux noyaux de

fer silicium oxygène carbone hélium

Phénomène terminal supernova supernovanébuleuseplanétaire

vent stellaire vent stellaire

Masse éjectée 24 Mo 8,5 Mo 2,2 Mo 0,3 Mo 0,01 Mo

Nature du noyau résiduel trou noirétoile à

neutronsnaine

blanchenaine

blanchenaine

blanche

Masse du cadavre stellaire 6 Mo 1,5 Mo 0,8 Mo 0,7 Mo 0,3 Mo

densité (eau=1) 5×1014 3×1015 2×107 107 106

Rayon (en m) 17861,44 m 6192,21 m 2,67×106 m 3,22×106 m 5,22×106

Gravité (en m.s-2 ) 2,5×1012 5,19×1012 1,49×107 8,99×106 1,46×106

Merci!Merci!

Bonsoir et merci à notre ancêtre!

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Supernovas de Type II, Physique Nucléaire et mécanique quantique Pierre-Yves Blais, Jan 07