Une supernova dans un verre d'eau

Une instabilité hydrodynamique vient pour la première fois d'être étudiée expérimentalement par des chercheurs du laboratoire AIM (CEA , CNRS, Université Paris Diderot). Ce phénomène physique déterminant dans l'explosion des étoiles massives a pu être mis en évidence grâce à un dispositif très simple utilisant l'analogie entre les ondes sonores au sein d'un gaz et le mouvement des vagues à la surface de l'eau. Les résultats associés à cette expérience sont publiés dans la revue Physical Review Letters (PRL) du 3 février.

Lorsqu'elles meurent, les étoiles massives s'effondrent sous leur propre poids puis explosent en devenant très lumineuses: on parle de supernova. L'effondrement du coeur de l'étoile donne alors naissance à une étoile à neutrons. Le développement d'instabilités provoque une profonde asymétrie dans l'explosion et peut être à l'origine de l'expulsion de l'étoile à neutrons à plusieurs centaines de kilomètres par seconde en dépit de conditions initiales sphériques.

Etudiée jusqu'à présent exclusivement grâce à des simulations numériques, l'instabilité hydrodynamique responsable de cette asymétrie vient d'être mise en évidence dans une expérience simple. L'utilisation conjointe de l'expérience et de la simulation numérique permet ici de valider la nature réellement physique des phénomènes observés.

Le dispositif de l'expérience utilisé par les chercheurs du laboratoire AIM (CEA, CNRS, Université Paris Diderot), et baptisée SWASI (Shallow Water Analogue of a Shock Instability), est très simple. Dans une vasque d'eau alimentée par la périphérie, l'écoulement de l'eau est analogue à la chute du gaz vers la surface de l'étoile à neutrons. L'interaction des vagues et des tourbillons dans l'expérience est en tout point semblable à celle des ondes sonores et des tourbillons dans l'étoile. Ce même mécanisme d'instabilité brise alors la symétrie sphérique de l'effondrement et est à l'origine de l'expulsion de l'étoile. Ainsi, ce dispositif expérimental établit un parallèle inattendu et spectaculaire entre un phénomène familier, le mouvement de l'eau, et la dynamique qui gouverne l'explosion asymétrique d'une étoile.


Le dispositif SWASI est donc un outil complémentaire des simulations numériques pour étudier les explosions de supernova. C'est aussi un outil pédagogique. La réalisation de deux nouveaux prototypes par les services techniques du CEA-Irfu devrait être achevée en septembre 2012. Pour l'heure, le dispositif a été proposé au Palais de la Découverte dans le cadre de futures animations et expositions qui verront prochainement le jour sur le thème de l'Astrophysique et de l'Univers.


Notes:

(1) AIM: Astrophysique, Instrumentation et Modélisation.
(2) CEA-Irfu (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers).


Référence:

"A Shallow Water Analogue of the Standing Accretion Shock Instability: Experimental Demonstration and Two-Dimensional Model"
T. Foglizzo, F. Masset, J. Guilet, G. Durand dans la revue Physical Review Letters (PRL) du 3 février 2012.