Effondrement gravitationnel - Définition

Introduction

Scénarios d'effonfrement gravitationnel

En astronomie, un effondrement gravitationnel est la contraction d'un corps massif sous l'effet de sa propre attraction gravitationnelle.

Description

Il se produit lorsque toutes les forces de pression ne peuvent plus compenser cette attraction et maintenir un équilibre : l'astre s' « effondre » sur lui-même. L'effondrement gravitationnel est l'une des étapes de l'évolution des étoiles, à la fois au début et vers la fin de leur vie. C'est en effet par effondrement gravitationnel d'une masse de gaz que se forment les étoiles.

À la fin de sa vie, quand toutes les sources d'énergies ont été épuisées, l'étoile s'effondre, pour devenir un objet compact, c'est-à-dire :

• une naine blanche, dont la pression de dégénérescence électronique compense la gravité ;
• une étoile à neutrons, dont la pression de dégénérescence neutronique compense la gravité ;
• un trou noir, dont la physique interne reste inconnue.

Au cours de l'effondrement qui mène à une naine blanche, et qui contracte le cœur de l'étoile, les couches externes de celle-ci sont expulsées et forment une nébuleuse planétaire.

Cas des trous noirs

Les étoiles très massives, dépassant la limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, ne peuvent atteindre un nouvel équilibre dynamique en compensant la gravité. Elles se contractent jusqu'à ce que toute leur matière soit dans l'horizon des évènements d'un trou noir en formation. On ignore ce qui se produit après cet instant.

Il n'existe pas encore de théorie physique décrivant ce qui se produit à l'intérieur d'un trou noir. En effet, les équations de la relativité générale, en ignorant les autres théories physiques, prédisent la formation d'une singularité gravitationnelle. La mécanique quantique, en revanche, interdit qu'une forme de matière se contracte en deçà de sa longueur d'onde. La théorie des cordes, qui tente l'union des deux théories, ne peut encore être testée.

La naissance des étoiles

L'effondrement gravitationnel joue un rôle fondamental dans la naissance, la mort et l'évolution d'une étoile. Il dirige la formation de plusieurs types d'étoiles: les proto-étoiles, les naines blanches, les étoiles à neutrons et les trous noirs. La formation d'une étoile commence avec un nuage moléculaire géant. Il est composé de poussière et de gaz de plus d'une centaine de molécules différentes. Il y a plusieurs facteurs qui peuvent rompre l'équilibre d'un nuage moléculaire géant. Quand celui-ci passe dans une zone à haute densité, cette région froide stabilise le nuage. Le nuage subit alors une force de compression, ce qui rompt la stabilité et augmente la température et la pression. Cette action cause l'effondrement gravitationnel.

Quand l'équilibre du nuage est atteint, le nuage se divise en petits fragments. La pression interne du nuage se contracte seulement si sa masse est supérieure à une limite qui s'appelle la masse de Jeans. Les blocs de la masse de Jeans sont indépendants et commencent à se contracter. Plus il y a de fragments, plus la masse de Jeans baisse. La succession de divisions continue. A un moment donné, le processus de fragmentation s'arrête mais la contraction des blocs continue. C'est à ce moment que le gaz prend une couleur opaque. L'énergie gravitationnelle se transforme en énergie thermique, ce qui stabilise la taille du nuage. Une boule de gaz se comprime au centre du nuage et le nuage devient une protoétoile. Cette protoétoile émet de la lumière.