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Posté par Michel le Jeudi 19/08/2010 à 00:00
Quelle est la masse nécessaire pour créer un trou noir ? Des astronomes défient les théories en vigueur
En utilisant le VLT de l’ESO, une équipe d’astronomes européens a pu démontrer pour la première fois qu’un magnétar – un type rare d’étoile à neutrons – a été formé à partir d’une étoile ayant une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) d’au moins 40 fois celle du Soleil (Soleils est une association à but humanitaire implantée sur le campus de Supélec (École Supérieure d'Electricité).). Ce résultat représente un véritable défi pour les théories en vigueur sur l'évolution des étoiles puisqu’une étoile aussi massive (Le mot massif peut être employé comme :) était supposée devenir un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception notable de la radiation...) et non un magnétar. Ce résultat soulève donc une question fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.): quelle masse doit réellement avoir une étoile pour devenir un trou noir ?


Illustration d'artiste du magnetar dans l'amas d'étoiles Westerlund 1.

Pour obtenir leurs conclusions les astronomes ont observé en détail l’extraordinaire amas d’étoiles Westerlund 1 (amas de l’Autel) (1), situé à 16 000 années lumière de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la...) dans la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation...) de l’Autel. Grâce à de précédentes études (eso0510) les astronomes savaient que Westerlund 1 était le plus proche des super amas d’étoiles connus, contenant des centaines d’étoiles massives, certaines brillant d’un éclat pratiquement équivalent à un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un (1 000 001). Il...) de soleils et certaines ayant un diamètre deux mille fois plus grand que le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) (aussi large que l’orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) de Saturne).

« Si le Soleil se trouvait au cœur de ce remarquable amas, notre ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) nocturne serait rempli de centaines d’étoiles aussi brillantes que la pleine Lune (La pleine Lune est la phase lunaire durant laquelle la Lune apparaît la plus brillante depuis la Terre, de par le fait que nous voyons, lors de cette phase, presque toute la surface lunaire éclairée par le...) » dit Ben Ritchie, le premier auteur de l’article scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur...) présentant ces résultats.

Westerlund 1 est un fantastique zoo stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces...) avec une population d’étoiles exotique et variée. Les étoiles de l’amas ont au moins un point (Graphie) commun: elles ont toutes le même âge, estimé entre 3,5 et 5 millions d’années, puisque l’amas a été formé au cours d’un épisode unique de formation stellaire.

Un magnétar (eso0831) est un type d’étoile à neutrons avec un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique incroyablement fort – un million de milliards de fois plus fort que celui de la Terre - qui se forme quand certaines étoiles explosent en supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa luminosité. Vue depuis la Terre, une supernova...). L’amas Westerlund 1 héberge l’un des rares magnétars connus dans la Voie Lactée. Du fait de sa localisation dans l’amas, les astronomes ont été capables de faire la remarquable déduction que ce magnétar a dû se former à partir d’une étoile d’au moins 40 fois la masse du Soleil.

Comme toutes les étoiles de Westerlund 1 ont le même âge, cette étoile qui a explosé pour ne laisser derrière elle qu’un magnétar a dû avoir une durée de vie (La vie est le nom donné :) plus courte que les autres étoiles toujours présentes dans l’amas. « Puisque la durée de vie d’une étoile est directement liée à sa masse – plus une étoile est massive, plus sa vie est courte – si nous pouvons déterminer la masse de n’importe qu’elle étoile encore « en vie », nous pouvons dire sans aucun doute que notre étoile à la plus courte vie qui est devenue un magnétar doit avoir été encore plus massive, » explique Simon Clark, un des coauteurs de l’article et responsable de l’équipe. « Ceci a une très grande importance du fait qu’il n’y a pas encore de théorie satisfaisante pour expliquer comment de tels objets extrêmement magnétiques se forment. »

Les astronomes ont donc étudié les étoiles du système binaire à éclipses W13 dans Westerlund 1 en utilisant le fait que dans un tel système les masses peuvent être déterminées directement à partir du mouvement des étoiles.

Par comparaison avec ces étoiles ils ont trouvé que l’étoile devenue un magnétar devait avoir une masse d’au moins 40 fois celle du Soleil. Ce résultat prouve pour la première fois que les magnétars peuvent être l’évolution d’étoiles si massives que l’on se serait normalement attendu à ce qu’elles forment des trous noirs. On supposait précédemment que les étoiles avec des masses initiales comprises entre 10 et 25 masses solaires formaient des étoiles à neutrons et que celles dont la masse était supérieure à 25 masses solaires devaient produire des trous noirs.

« Ces étoiles doivent se débarrasser de plus de neuf dixièmes de leur masse avant d’exploser en supernova, sinon elles formeraient un trou noir, » précise Ignacio Negueruela, un des coauteurs de l’article. « Une telle perte de masse avant 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 rapidement,...) constitue un réel défi pour les théories en vigueur sur l’évolution des étoiles. »

« Si les étoiles ayant une masse encore plus importante que 40 fois la masse du Soleil ne peuvent réaliser la prouesse d’évoluer en trou noir, la question complexe de la masse que doit réellement avoir une étoile pour s’effondrer et former un trou noir se pose bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son. Grandeur sans dimension en...) et bien » conclut Norbert Langer, un autre coauteur.

Le processus de formation privilégié par les astronomes postule que l’étoile devenue un magnétar – la génitrice - est née avec un compagnon stellaire. Au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure de l'évolution des deux étoiles, elles ont dû commencer à interagir et l’énergie tirée de leur mouvement orbital a servi à éjecter de gigantesques quantités de matière de l’étoile « génitrice ». Comme aucun compagnon de ce type n’est actuellement visible à l’emplacement du magnétar, on peut supposer que la supernova qui a formé le magnétar a causé l’éclatement du système binaire, éjectant à grande vitesse (On distingue :) les deux étoiles de l’amas.

« Si tel est le cas, cela laisse penser que les systèmes binaires peuvent jouer un rôle clé dans l’évolution des étoiles en facilitant la perte de masse – le dernier régime cosmique pour « étoiles poids lourd (Un poids lourd est un véhicule routier de plus de 3,5 tonnes, affecté soit au transport de marchandises (camion, semi-remorque, train routier), soit au transport de personnes (autobus, autocar, trolleybus).) », qui les débarrasse de plus de 95% de leur masse initiale, » conclut Simon Clark.

Note:

[1] L’amas ouvert Westerlund 1 a été découvert en 1961 depuis l’Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie. En plus de l’île-continent du...) par l’astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) Suedois Bengt Westerlund qui quitta ce pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de...) pour devenir Directeur de l’ESO au Chili (1970-74). Cet amas se trouve derrière un gigantesque nuage interstellaire (En astronomie, nuage interstellaire est le nom générique donné aux accumulations de gaz et de poussières dans notre Galaxie. L'hydrogène contenu...) de 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 de forme propre ni de volume...) et de poussière qui bloque la plus grande partie de la lumière visible. Le facteur d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique....) est de plus de 100 000 et c’est la raison pour laquelle il a fallu tant de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) pour dévoiler la véritable nature de cet amas particulier.

Westerlund 1 est un laboratoire naturel unique pour étudier la physique stellaire (La physique stellaire est la branche de l'astrophysique qui étudie les étoiles. Elle fait intervenir des connaissances issues de la physique nucléaire, physique...) extrême, aidant les astronomes à comprendre comment les étoiles les plus massives de la Voie Lactée vivent et meurent. A partir de leurs observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...), les astronomes ont conclu que cet amas extrême devait probablement contenir pas moins de 100 000 fois la masse du Soleil et toutes ses étoiles sont situées dans une région qui s'étend sur moins de 6 années-lumière. Westerlund 1 apparaît également comme le plus massif (Le mot massif peut être employé comme :) des jeunes amas compacts détectés jusque là dans la Voie Lactée.

Toutes les étoiles analysées jusqu’à présent dans Westerlund 1 ont une masse d’au moins 30 à 40 fois celle du Soleil. De telles étoiles ayant une vie plutôt courte – au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) astronomique du terme - Westerlund 1 doit être très jeune. Les astronomes ont évalué son âge entre 3,5 et 5 millions d’années. Aussi, Westerlund 1 est clairement un amas « nouveau-né » dans notre Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.).


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Source: (c) ESO
Illustration: (c) ESO/L. Calçada