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Posté par Michel le Dimanche 05/02/2012 à 00:00
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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) sonores au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier...) d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas...) et le mouvement des vagues à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). 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 (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale...) puis explosent en devenant très lumineuses: on parle de supernova. L'effondrement du coeur de l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la...) donne alors naissance à une étoile à neutrons. Le développement d'instabilités provoque une profonde asymétrie dans l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue...) et peut être à l'origine de l'expulsion de l'étoile à neutrons à plusieurs centaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la...) par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle plan....) 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 (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite « analogique »...) permet ici de valider la nature réellement physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) des phénomènes observés.

Le dispositif de l'expérience utilisé par les chercheurs du laboratoire AIM (CEA, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et...) Diderot), et baptisée SWASI (Shallow Water Analogue of a Shock Instability), est très simple. Dans une vasque d'eau alimentée par la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou...), l'écoulement de l'eau est analogue à la chute du gaz vers la surface de l'étoile à neutrons. L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) des vagues et des tourbillons dans l'expérience est en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) point (Graphie) 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 (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) qui gouverne (Une gouverne est une surface mobile agissant dans l'air ou dans l'eau servant à piloter un mobile selon un de ses trois axes :) l'explosion asymétrique d'une étoile.


Photo du dispositif d'expérience SWASI (Shallow Water Analogue of a Shock Instability) et sa modélisation numérique, illustrant l'effet potentiel de l'instabilité sur la rotation de l'étoile à neutrons.
Crédits CEA.

Le dispositif SWASI est donc un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) 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 (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure solaire »...), le dispositif a été proposé au Palais de la Découverte (Le Palais de la découverte est un musée et centre culturel scientifique parisien. Il est situé dans le VIIIe arrondissement, avenue Franklin-Delano-Roosevelt. Il a été...) dans le cadre de futures animations et expositions qui verront prochainement le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa durée...) sur le thème de l'Astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...) et de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).


Notes:

(1) AIM: Astrophysique, Instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) et Modélisation.
(2) CEA-Irfu (Institut de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) 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.


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Source: CNRS-INSU