Astronomie

Comment se produit une supernova lorsqu'une étoile massive s'effondre dans un trou noir ?

Comment se produit une supernova lorsqu'une étoile massive s'effondre dans un trou noir ?

La compréhension de mon profane d'une explosion de supernova est qu'elle est causée par un rebond lorsqu'une étoile massive s'effondre. Lorsque le noyau s'effondre à un point où la pression de dégénérescence des neutrons domine, l'effondrement du noyau s'arrête et la matière tombant des couches externes rebondit, provoquant une supernova (corrigez-moi si je me trompe). Cependant, j'ai également lu que le résultat final de la supernova peut être soit une étoile à neutrons, soit un trou noir selon la masse. Lorsque l'étoile est suffisamment massive pour s'effondrer dans un trou noir, qu'est-ce qui cause la supernova ? Sur quoi les couches extérieures rebondissent-elles ? Tout cela ne devrait-il pas s'effondrer dans le trou noir ?


Vous avez raison. Un effondrement direct d'une étoile lourde dans un trou noir peut conduire à l'échec d'une supernova sans explosion détectable.
Cependant, un trou noir peut également se former avec une explosion SN. Une possibilité serait la formation initiale d'une étoile à neutrons et son rebond sur les couches externes, mais la chute ultérieure de suffisamment de matériau pour effondrer l'étoile à neutrons en un BH.
Dans les étoiles à rotation rapide, la supernova peut également être alimentée par l'énergie libérée lors de l'accrétion de matière autour du trou noir nouvellement formé. Ce serait alors un Collapsar.
Il y a aussi la possibilité pour les étoiles en rotation rapide qu'un magnétar se forme pendant la supernova. Ici, l'explosion n'est pas principalement provoquée par le rebond et le vent de neutrinos, mais par la libération d'énergie magnétique et une retombée subséquente de l'étoile à neutrons. Comme la rotation rapide peut stabiliser un NS contre son effondrement, ce spin-down peut également conduire à une formation retardée de trou noir. Voici un article à ce sujet.

Ainsi, les explosions SN peuvent devenir assez complexes et un trou noir peut se former avec ou sans explosion de supernova. Tout dépend de la masse, du spin et de la métalicité de l'étoile progénitrice (et s'il s'agit d'un compagnon binaire).


Les étoiles massives de l'univers primitif pourraient avoir été les ancêtres de trous noirs super-massifs

Une demi-tranche en miroir à l'intérieur d'une étoile supermassive en explosion simulée de 55 500 masses solaires un jour après le début de l'explosion. Le rayon de la circonférence extérieure est proche de l'orbite terrestre. Crédit : K.-J. Chen

Des observations récentes ont montré qu'il existe un trou noir supermassif au centre de chaque galaxie. Cependant, quelle est l'origine de ces trous noirs supermassifs ? C'est encore un mystère aujourd'hui. Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Observatoire national d'astronomie du Japon et l'Institut d'astronomie et d'astrophysique de l'Academia Sinica (ASIAA) à Taïwan a prédit une supernova extrême à partir d'une étoile supermassive, possiblement l'ancêtre de trous noirs supermassifs. Leur calcul suggère que cette supernova peut être observée par le télescope spatial James Webb (JWST) qui sera lancé d'ici la fin 2021.

L'étude de la formation des trous noirs supermassifs est un sujet important en astrophysique moderne. La théorie principale suggère que les graines de trous noirs supermassifs se sont formées après la mort des premières étoiles massives de l'univers primitif, puis ces graines ont continué à accumuler le gaz environnant et se sont finalement transformées en trous noirs supermassifs aujourd'hui. Cependant, cette théorie a été contestée car les étoiles les plus massives observées dans l'univers local ont environ cent ou deux cents masses solaires. Si les premières étoiles de quelques centaines de masses solaires meurent sous forme de graines de trous noirs, elles doivent maintenir l'efficacité d'accrétion la plus élevée pour former les trous noirs supermassifs observés aujourd'hui. Mais il est très difficile de maintenir un taux d'accrétion élevé dans un environnement réaliste.

Chercheur adjoint, Ke-Jung Chen de l'ASIAA Taiwan a proposé une supernova d'instabilité relativiste à partir d'une étoile supermassive primordiale (10 4 –10 5 masses solaires) dans son article de recherche de 2014. "Il peut y avoir un petit nombre des premières étoiles dans l'univers primitif avec des dizaines de milliers de masses solaires. Il est probable qu'elles soient les ancêtres des trous noirs supermassifs dans les galaxies. Parce que plus la graine de trou noir est massive, plus elle est efficace c'est avaler la matière environnante. Les trous noirs n'ont pas besoin de maintenir un taux d'accrétion élevé pour se développer rapidement », a déclaré Chen.

Mais comment prouver que ces étoiles massives ont déjà existé ? C'est un défi d'observation, car la plupart de ces étoiles supermassives vont s'effondrer dans des trous noirs. Sur la base du modèle de supernova proposé par Chen, l'équipe de recherche a effectué une nouvelle simulation de transport de rayonnement et a découvert que la prochaine mission JWST avait une chance d'observer cette supernova ! S'il est effectivement observé d'ici là, l'origine du trou noir supermassif dans la galaxie qui provient de la première étoile supermassive peut être confirmée. Attendons voir!


Comment se produit une supernova lorsqu'une étoile massive s'effondre dans un trou noir ? - Astronomie

Question :
Combien de temps faut-il à une étoile pour former un trou noir après sa mort ?

UNE:
La formation d'un trou noir lors de l'effondrement d'étoiles massives peut se dérouler de deux manières différentes : soit l'étoile massive s'effondre directement dans un trou noir sans explosion de supernova, soit une explosion se produit, mais son énergie est trop faible pour souffler complètement l'enveloppe stellaire, et une partie importante de l'étoile retombe pour former un trou noir. Dans les deux cas, les calculs indiquent qu'un trou noir se forme en un temps allant d'environ un dixième de seconde à une demi-seconde !

Un chemin alternatif implique l'effondrement d'une étoile à neutrons dans un trou noir si elle accumule tellement de matière provenant d'une étoile compagne proche, ou fusionne avec l'étoile compagne qu'elle est poussée au-dessus de la limite d'étoile à neutrons et s'effondre pour devenir un trou noir. Ce processus pourrait prendre un million d'années ou plus selon la vitesse à laquelle il accrète le matériau, mais une fois que l'étoile à neutrons a dépassé la limite, qui est d'environ 3 masses solaires, l'effondrement en un trou noir se produit en moins d'une seconde.

Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian
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Téléphone : 617.496.7941 Télécopieur : 617.495.7356


Bureau des sciences du DOE : contributions à la recherche sur les supernovas

Par le biais de son programme de physique nucléaire, le Department of Energy Office of Science soutient la recherche sur la nature fondamentale de la matière. Cela inclut la façon dont la matière - y compris les éléments - est créée et le rôle des supernovae dans ce processus. En partenariat avec d'autres programmes du Bureau des sciences, la physique nucléaire soutient des projets tels que SciDAC, qui fait progresser l'infrastructure logicielle et matérielle de calcul scientifique nécessaire à des projets tels que la simulation d'explosions de supernova.

Le programme de physique des hautes énergies de l'Office of Science utilise également les supernovae comme outil pour développer des cartes de l'univers. En fait, Saul Perlmutter du Lawrence Berkeley National Laboratory ainsi que les scientifiques Brian Schmidt et Adam Riess ont remporté le prix Nobel pour leur utilisation des supernovae de type Ia pour découvrir l'énergie noire. Les chercheurs soutenus par l'Office of Science utilisent également des techniques d'apprentissage automatique pour identifier, catégoriser et mesurer les supernovae et autres objets célestes qui peuvent révéler des informations sur la structure de l'univers.


Ou, cela pourrait être quelque chose d'autre

Une autre équipe d'astronomes, dirigée par Paul Kuin, astrophysicien à l'University College London, est parvenue à une conclusion différente. Ils pensent que la vache est une étoile qui a été déchirée dans ce qu'on a appelé un événement de perturbation de la marée.

"Nous n'avons jamais rien vu d'exactement comme la vache, ce qui est très excitant."

Amy Lien, Université du Maryland, Goddard Space Flight Center de la NASA

Un événement de perturbation de marée arrive à une étoile qui s'approche d'un puissant trou noir. La gravité du trou noir déchire l'étoile en un flux de gaz. Le trou noir jette la queue du flux de gaz hors du système de trou noir, mais le bord d'attaque du flux tourbillonne autour du trou et finit par entrer en collision avec lui-même.

"Nous n'avons jamais rien vu exactement comme la vache, ce qui est très excitant", a déclaré Amy Lien, chercheuse scientifique adjointe à l'Université du Maryland, dans le comté de Baltimore et au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Nous pensons qu'une perturbation de la marée a créé l'éclat de lumière rapide et vraiment inhabituel au début de l'événement et explique le mieux les observations multi-longueurs d'onde de Swift alors qu'elle s'estompe au cours des prochains mois."

Cette deuxième équipe de chercheurs pense que l'étoile qui s'est déchiquetée était une naine blanche, le même type d'étoile que deviendra éventuellement notre Soleil. Ils ont également calculé la taille du trou noir et ont conclu que sa masse serait comprise entre 100 000 et 1 million de fois celle du Soleil. Cela en fait un énorme trou noir, de taille similaire à celui situé au centre de la galaxie des vaches. Ce serait très inhabituel, mais pas impossible.

"La vache a produit un grand nuage de débris en très peu de temps", a déclaré l'auteur principal Paul Kuin, astrophysicien à l'University College London (UCL). « Déchiqueter une étoile plus grosse pour produire un nuage comme celui-ci nécessiterait un trou noir plus gros, entraînerait une augmentation de la luminosité plus lente et prendrait plus de temps pour que les débris soient consommés. »

L'équipe de Kuin a également partagé ses conclusions lors de la 233e réunion de l'AAS, et leurs résultats ont été publiés dans un article.


Une étoile qui s'effondre donne naissance à un trou noir

Les astronomes ont observé qu'une étoile massive et mourante renaît probablement sous la forme d'un trou noir.

Les astronomes ont observé qu'une étoile massive et mourante renaît probablement sous la forme d'un trou noir. Il a fallu la puissance combinée du grand télescope binoculaire (LBT) et des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer de la NASA pour rechercher les restes de l'étoile vaincue, pour découvrir qu'elle a disparu hors de vue.

Il est sorti avec un gémissement au lieu d'un bang.

L'étoile, qui était 25 fois plus massive que notre soleil, aurait dû exploser dans une supernova très brillante. Au lieu de cela, il s'est éteint – puis a laissé derrière lui un trou noir.

Des "échecs massifs" comme celui-ci dans une galaxie voisine pourraient expliquer pourquoi les astronomes voient rarement les supernovae des étoiles les plus massives, a déclaré Christopher Kochanek, professeur d'astronomie à l'Ohio State University et Ohio Eminent Scholar in Observational Cosmology.

Jusqu'à 30 pour cent de ces étoiles, semble-t-il, peuvent s'effondrer tranquillement dans des trous noirs - aucune supernova n'est requise.

"La vue typique est qu'une étoile ne peut former un trou noir qu'après être devenue une supernova", a expliqué Kochanek. "Si une étoile peut tomber en deçà d'une supernova tout en faisant un trou noir, cela expliquerait pourquoi nous ne voyons pas de supernovae dans les étoiles les plus massives."

Il dirige une équipe d'astronomes qui ont publié leurs derniers résultats dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Parmi les galaxies qu'ils ont observées se trouve NGC 6946, une galaxie spirale distante de 22 millions d'années-lumière qui est surnommée la "Galaxie des feux d'artifice" car les supernovae s'y produisent fréquemment. En effet, SN 2017eaw, découverte le 14 mai, brille presque au maximum. luminosité maintenant. À partir de 2009, une étoile en particulier, nommée N6946-BH1, a commencé à s'éclaircir faiblement. En 2015, il semblait avoir disparu.

Après que l'enquête LBT pour les supernovas ratées ait révélé l'étoile, les astronomes ont dirigé les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer pour voir si elle était toujours là mais simplement atténuée. Ils ont également utilisé Spitzer pour rechercher tout rayonnement infrarouge émanant de l'endroit. Cela aurait été un signe que l'étoile était toujours présente, mais peut-être juste cachée derrière un nuage de poussière.

Tous les tests se sont révélés négatifs. La star n'était plus là. Par un processus minutieux d'élimination, les chercheurs ont finalement conclu que l'étoile devait être devenue un trou noir.

Il est trop tôt dans le projet pour savoir avec certitude à quelle fréquence les stars connaissent des échecs massifs, mais Scott Adams, un ancien étudiant de l'Ohio State qui a récemment obtenu son doctorat. faire ce travail, a pu faire une estimation préliminaire.

"N6946-BH1 est la seule supernova probablement ratée que nous ayons trouvée au cours des sept premières années de notre étude. Au cours de cette période, six supernovas normales se sont produites dans les galaxies que nous surveillons, suggérant que 10 à 30% des étoiles massives meurent comme des supernovae ratées", a-t-il déclaré.

"Ce n'est que la fraction qui expliquerait le problème même qui nous a motivés à commencer l'enquête, à savoir qu'il y a moins de supernovae observées que ce qui devrait se produire si toutes les étoiles massives meurent de cette façon."

Pour étudier le co-auteur Krzysztof Stanek, la partie vraiment intéressante de la découverte est les implications qu'elle détient pour les origines de trous noirs très massifs - le genre que l'expérience LIGO a détecté via des ondes gravitationnelles. (LIGO est l'observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser.)

Cela n'a pas nécessairement de sens, a déclaré Stanek, professeur d'astronomie à l'Ohio State, qu'une étoile massive puisse subir une supernova – un processus qui implique le soufflage d'une grande partie de ses couches externes – et qu'il reste encore suffisamment de masse pour se former. un trou noir massif à l'échelle de ceux détectés par LIGO.

"Je soupçonne qu'il est beaucoup plus facile de faire un trou noir très massif s'il n'y a pas de supernova", a-t-il conclu.

Adams est maintenant astrophysicien à Caltech à Pasadena, en Californie. Les autres co-auteurs étaient la doctorante de l'État de l'Ohio Jill Gerke et l'astronome de l'Université d'Oklahoma Xinyu Dai. Leurs recherches ont été soutenues par la National Science Foundation.

Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, gère la mission du télescope spatial Spitzer pour la Direction des missions scientifiques de la NASA, à Washington. Les opérations scientifiques sont menées au Spitzer Science Center de Caltech. Les opérations des engins spatiaux sont basées à Lockheed Martin Space Systems Company, Littleton, Colorado. Les données sont archivées dans les archives scientifiques infrarouges hébergées au Centre de traitement et d'analyse infrarouges de Caltech. Caltech gère JPL pour la NASA.

Le Large Binocular Telescope est une collaboration internationale entre des institutions des États-Unis, d'Italie et d'Allemagne.

Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l'ESA (Agence spatiale européenne). Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute de Baltimore mène les opérations scientifiques de Hubble. STScI est exploité pour la NASA par l'Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., à Washington.


Un problème de supergéante

Mais ces dernières années, des observations ont également commencé à suggérer que certaines supergéantes rouges ne deviennent pas réellement des supernova. À partir de 1987, lorsque les observateurs ont vu une supernova dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie voisine, les astronomes ont pu examiner des images de galaxies avant l'explosion et identifier quelle étoile avait explosé.

À l'heure actuelle, explique Stephen Smartt de l'Université Queen's de Belfast, les astronomes ont effectué 25 de ces autopsies d'étoiles. Comme prévu, la plupart des étoiles condamnées étaient des supergéantes rouges. Mais ils ne couvraient pas toute la gamme de masse de huit à 30 soleils. "Nous n'avons presque aucune détection d'étoiles au-dessus d'une masse [naissance] de 17 masses solaires", dit Smartt, "et celles-ci devraient être les plus brillantes, les plus faciles à trouver sur les images." Il appelle cet échec le problème de la supergéante rouge (1, 2). Smartt soupçonne que seules les supergéantes rouges de masse inférieure explosent. Les supergéantes rouges de masse plus élevée - celles nées à plus de 17 masses solaires - implosent, leurs noyaux s'effondrant tranquillement dans des trous noirs.

Cette supergéante en voie de disparition de 2008 est un exemple probable, dit Smartt. La maison de l'étoile est une galaxie spirale hyperactive à 25 millions d'années-lumière de la Terre nommée NGC 6946, qui est tristement célèbre pour ses diverses supernovae. De 1917 à 2017, les observateurs y ont vu 10 explosions de supernova, plus que dans n'importe quelle autre galaxie, mais la supernova qui ne s'est pas produite pourrait s'avérer plus importante que toutes celles qui se sont produites.

Personne n'avait remarqué la disparition de la star à l'époque. En 2014, cependant, Christopher Kochanek et l'étudiante diplômée Jill Gerke, tous deux à l'Ohio State University à Columbus, examinaient des images de galaxies si proches de la nôtre que nous pouvons détecter leurs étoiles individuelles. Ces astronomes connaissaient le problème de la supergéante rouge et la difficulté des théoriciens à faire exploser leurs étoiles. Les images de la galaxie ont capturé un million de supergéantes rouges, chacune étant une future supernova potentielle. En comparant des images de différentes années, les astronomes espéraient observer exactement le contraire : une supergéante rouge tombant hors de vue alors qu'elle devenait un trou noir.

« C'était très beau et propre », dit Gerke à propos de l'événement 2008. "Vous pouviez voir l'étoile là-bas, puis vous pouviez clairement voir que, du moins dans nos données, elle n'était plus visible." C'est toujours la seule fois où quelqu'un a vu une étoile disparaître du ciel sans devenir une supernova (3).

Woosley, qui n'était pas impliqué dans la découverte, qualifie l'affirmation de crédible. Bien que l'étoile puisse encore briller derrière un épais nuage de poussière, la lumière des étoiles devrait chauffer cette poussière et la faire briller fortement aux longueurs d'onde infrarouges, ce que personne n'a vu (4). Une confirmation concluante de la mort de l'étoile attend le télescope spatial James Webb, un grand instrument sensible à l'infrarouge que la NASA prévoit de lancer en 2021.

Les astronomes ont longtemps pensé que Bételgeuse, l'étoile rouge (Haut) dans la brillante constellation d'Orion le Chasseur, explosera un jour en une supernova brillante. Mais de nouvelles recherches soulèvent la possibilité que cette explosion attendue ne se produise jamais. Crédit image : Shutterstock/Geneviève de Messieres.


Ne craignez pas la supernova

Supernova 1987A était l'étoile explosive la plus proche vue dans les temps modernes. Cela s'est produit dans le Grand Nuage de Magellan, une petite galaxie en orbite autour de notre propre Voie Lactée. Les images prises par le télescope spatial Hubble de la NASA ont été combinées pour former ce composite des débris en expansion de l'explosion. Crédit : Crédit : NASA / ESA / P. Challis et R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

Compte tenu des quantités incroyables d'énergie dans une explosion de supernova - autant que le soleil crée pendant toute sa durée de vie - une autre théorie apocalyptique erronée est qu'une telle explosion pourrait se produire en 2012 et nuire à la vie sur Terre. Cependant, étant donné l'immensité de l'espace et les longs délais entre les supernovae, les astronomes peuvent affirmer avec certitude qu'il n'y a pas d'étoile menaçante suffisamment proche pour blesser la Terre.

Les astronomes estiment qu'en moyenne, une ou deux supernovae explosent chaque siècle dans notre galaxie. Mais pour que la couche d'ozone de la Terre subisse les dommages d'une supernova, l'explosion doit se produire à moins de 50 années-lumière. Toutes les étoiles proches capables de devenir des supernovas sont beaucoup plus loin que cela.

Toute planète avec de la vie à proximité d'une étoile qui devient supernova connaîtrait en effet des problèmes. Les rayons X et gamma de la supernova pourraient endommager la couche d'ozone, qui nous protège des rayons ultraviolets nocifs des rayons du soleil. Moins il y a d'ozone, plus la lumière UV atteint la surface. À certaines longueurs d'onde, une augmentation de 10 % seulement des UV au niveau du sol peut être mortelle pour certains organismes, y compris le phytoplancton près de la surface de l'océan. Étant donné que ces organismes constituent la base de la production d'oxygène sur Terre et dans la chaîne alimentaire marine, toute perturbation importante pour eux pourrait se transformer en un problème planétaire.

Un autre événement explosif, appelé sursaut gamma (GRB), est souvent associé aux supernovae. Lorsqu'une étoile massive s'effondre sur elle-même - ou, moins fréquemment, lorsque deux étoiles à neutrons compactes entrent en collision - le résultat est la naissance d'un trou noir. Alors que la matière tombe vers un trou noir naissant, une partie s'accélère en un jet de particules si puissant qu'il peut se frayer un chemin complètement à travers l'étoile avant même que les couches les plus externes de l'étoile n'aient commencé à s'effondrer. Si l'un des jets est dirigé vers la Terre, les satellites en orbite détectent une rafale de rayons gamma très énergétiques quelque part dans le ciel. Ces sursauts se produisent presque quotidiennement et sont si puissants qu'ils peuvent être vus à travers des milliards d'années-lumière.

Un sursaut de rayons gamma pourrait affecter la Terre à peu près de la même manière qu'une supernova - et à une distance beaucoup plus grande - mais seulement si son jet est directement dirigé vers nous. Les astronomes estiment qu'un sursaut de rayons gamma pourrait affecter la Terre jusqu'à 10 000 années-lumière, chacune étant séparée d'environ 15 millions d'années, en moyenne. Jusqu'à présent, le sursaut le plus proche jamais enregistré, connu sous le nom de GRB 031203, se trouvait à 1,3 milliard d'années-lumière.

Comme pour les impacts, notre planète a probablement déjà connu de tels événements au cours de sa longue histoire, mais il n'y a aucune raison de s'attendre à ce qu'un sursaut gamma dans notre galaxie se produise dans un avenir proche, encore moins en décembre 2012.


Des chercheurs trouvent l'origine et la masse maximale des trous noirs massifs

Diagramme schématique du chemin de formation du trou noir binaire pour GW170729. Une étoile de moins de 80 masses solaires évolue et se développe en une supernova à effondrement de cœur. L'étoile ne subit pas d'instabilité de paire, il n'y a donc pas d'éjection de masse significative par pulsation. Après que l'étoile ait formé un noyau de fer massif, elle s'effondre par sa propre gravité et forme un trou noir avec une masse inférieure à 38 masses solaires. Une étoile entre 80 et 140 masses solaires évolue et se développe en une supernova à instabilité de paires pulsatoires. Une fois que l'étoile a formé un noyau massif de carbone-oxygène, le noyau subit une création catastrophique de paires électron-positon. Cela excite de fortes pulsations et une éjection partielle des matériaux stellaires. Les matériaux éjectés forment la matière circumstellaire entourant l'étoile. Après cela, l'étoile continue d'évoluer et forme un noyau de fer massif, qui s'effondre de la même manière que la supernova ordinaire à effondrement de noyau, mais avec une masse finale de trou noir plus élevée entre 38 et 52 masses solaires. Ces deux chemins pourraient expliquer l'origine des masses de trous noirs binaires détectées de l'événement d'onde gravitationnelle GW170729. Crédit : Shing-Chi Leung et al./Kavli IPMU

Grâce à des simulations d'une étoile mourante, une équipe de chercheurs en physique théorique a trouvé l'origine évolutive et la masse maximale des trous noirs découverts par la détection des ondes gravitationnelles.

La détection passionnante des ondes gravitationnelles avec LIGO (laser interferometer gravitational-wave observatory) et VIRGO (Virgo interferometric gravitational-wave antenna) a montré la présence de trous noirs fusionnant dans des systèmes binaires proches.

Les masses des trous noirs observés avant la fusion ont été mesurées et se sont avérées avoir une masse beaucoup plus grande que prévu d'environ 10 fois la masse du Soleil (masse solaire). Dans l'un de ces événements, GW170729, la masse observée d'un trou noir avant sa fusion est en réalité aussi grande qu'environ 50 masses solaires. Mais on ne sait pas quelles étoiles peuvent former un trou noir aussi massif, ni quelle est la taille maximale des trous noirs observés par les détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Pour répondre à cette question, une équipe de recherche du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) composée du chercheur du projet Shing-Chi Leung (actuellement au California Institute of Technology), du scientifique principal Ken'ichi Nomoto et Le scientifique principal invité Sergei Blinnikov (professeur à l'Institut de physique théorique et expérimentale de Mosow) a étudié l'étape finale de l'évolution d'étoiles très massives, en particulier de 80 à 130 étoiles de masse solaire dans des systèmes binaires proches.

Processus évolutif de supernova à instabilité de paires pulsatoires. Crédit : Shing-Chi Leung et al.

Dans les systèmes binaires proches, initialement 80 à 130 étoiles de masse solaire perdent leur enveloppe riche en hydrogène et deviennent des étoiles à hélium de 40 à 65 masses solaires. Lorsque les étoiles de masse solaire initiale forment des noyaux riches en oxygène, les étoiles subissent une pulsation dynamique car la température à l'intérieur de l'étoile devient suffisamment élevée pour que les photons soient convertis en paires électron-positon. Une telle «création de paires» rend le noyau instable et accélère la contraction jusqu'à l'effondrement.

Dans l'étoile surcomprimée, l'oxygène brûle de manière explosive. Cela déclenche un effondrement puis une expansion rapide de l'étoile. Une partie de la couche externe stellaire est éjectée, tandis que la partie interne se refroidit et s'effondre à nouveau. La pulsation (effondrement et expansion) se répète jusqu'à épuisement de l'oxygène. Ce processus est appelé instabilité de paire pulsatoire (PPI). L'étoile forme un noyau de fer et s'effondre finalement dans un trou noir, ce qui déclencherait l'explosion de la supernova, connue sous le nom de PPI-supernova (PPISN).

En calculant plusieurs de ces pulsations et les éjections de masse associées jusqu'à ce que l'étoile s'effondre pour former un trou noir, l'équipe a découvert que la masse maximale du trou noir formé à partir d'une supernova à instabilité de paires pulsatoires est de 52 masses solaires.

  • La ligne rouge montre l'évolution temporelle de la température et de la densité au centre de l'étoile de masse solaire initialement 120 (PPISN : pulsational pair-instability supernova). Les flèches indiquent le sens du temps. L'étoile palpite (c'est-à-dire qu'elle se contracte et se dilate deux fois) en faisant des rebonds à #1 et #2 et finalement s'effondre le long d'une ligne similaire à celle d'une étoile de 25 masses solaires (fine ligne bleue : CCSN (core-collapse supernova)). La ligne bleue épaisse montre la contraction et l'expansion finale de l'étoile de 200 masses solaires qui est complètement perturbée sans laisser de trou noir (PISN : supernova à instabilité de paire). La zone en haut à gauche entourée par la ligne continue noire est la région où une étoile est dynamiquement instable. Crédit : Shing-Chi Leung et al.
  • La ligne rouge (qui relie les points de simulation rouges) montre la masse du trou noir laissée après la supernova pulsationnelle à instabilité des paires (PPISN) par rapport à la masse stellaire initiale. Les lignes pointillées rouges et noires montrent la masse du noyau d'hélium laissé dans le système binaire. La ligne rouge est plus basse que la ligne en pointillés car une certaine quantité de masse est perdue du noyau par perte de masse pulsatoire. (La supernova à instabilité des paires, PISN, explose complètement sans aucun résidu.) Le pic de la ligne rouge donne la masse maximale, 52 masse solaire, du trou noir à observer par les ondes gravitationnelles. Crédit : Shing-Chi Leung et al.
  • Les masses d'une paire de trous noirs (indiqués par la même couleur) dont la fusion a produit des ondes gravitationnelles (GW) détectées par LIGO et VIRGO avancés (les noms d'événement de fusion GW150914 à GW170823 indiquent l'année-mois-jour). La boîte entourée de 38 à 52 masses solaires est la plage de masses résiduelles produite par PPISNe. Les masses de trous noirs tombant à l'intérieur de cette boîte doivent avoir une origine PPISN avant l'effondrement. En dessous de 38 masses solaires se trouve le trou noir formé par une étoile massive en cours de CCSN. En plus de GW170729, GW170823 est un candidat d'un PPISN du côté de la limite de masse inférieure. Crédit : Shing-Chi Leung et al.

Les étoiles initialement plus massives que 130 masses solaires (qui forment des étoiles à hélium plus massives que 65 masses solaires) subissent le processus de supernova d'instabilité des paires en raison de la combustion explosive d'oxygène, qui perturbe complètement l'étoile sans qu'il reste de trou noir. Les étoiles au-dessus de 300 masses solaires s'effondrent et peuvent former un trou noir plus massif qu'environ 150 masses solaires.

Les résultats ci-dessus prédisent qu'il existe un « écart de masse » dans la masse du trou noir entre 52 et environ 150 masses solaires. Les résultats signifient que le trou noir de 50 masses solaires dans GW170729 est très probablement un vestige d'une supernova à instabilité de paires pulsatoires.

Le résultat prédit également qu'un milieu circumstellaire massif est formé par la perte de masse pulsatoire, de sorte que l'explosion de la supernova associée à la formation du trou noir induira une collision du matériau éjecté avec la matière circumstellaire pour devenir des supernovae superlumineuses. Les futurs signaux d'ondes gravitationnelles fourniront une base sur laquelle leur prédiction théorique sera testée.


Comment une supernova détruit-elle complètement une étoile ?

Lire la réponse complète ici. En conséquence, qu'arrive-t-il à une étoile pendant une supernova ?

Cette explosion arrive parce que le centre, ou le noyau, de la Star s'effondre en moins d'une seconde. Les couches externes de la Star sont soufflés dans l'explosion, laissant un noyau de contraction du Star après le supernova. Les ondes de choc et le matériel qui s'échappent du supernova peut provoquer la formation de nouveaux étoiles.

A côté de ci-dessus, une supernova peut-elle détruire une planète ? Risque par supernova type Bien qu'ils soient spectaculaires à regarder, étaient-ils "prévisibles" supernovae se produire, on pense qu'ils ont peu de potentiel pour affecter la Terre. On estime qu'un type II supernova moins de huit parsecs (26 années-lumière) détruire plus de la moitié de la couche d'ozone de la Terre.

Également demandé, est une supernova quand une étoile meurt ?

Mais avec la bonne quantité de masse, un Star peut brûler dans une explosion ardente. UNE Star peut aller supernova de l'une des deux manières suivantes : Type I supernova: Star accumule la matière d'un voisin proche jusqu'à ce qu'une réaction nucléaire incontrôlée se déclenche. Type II supernova: Star manque de combustible nucléaire et s'effondre sous sa propre gravité.

Comment s'appelle-t-on lorsqu'une étoile s'éteint ?

Lorsqu'un Star comme le Soleil meurt, il projette ses couches externes dans l'espace, laissant son noyau chaud et dense se refroidir au fil des éons. Mais d'autres types de étoiles expirer avec des explosions titanesques, appelé supernovae. Une supernova peut briller aussi fort qu'une galaxie entière de milliards de "normaux" étoiles.