Probl´ematique li´ee aux explosions de supernovæ

Les explosions des supernovæ (les objets parmi les plus lumineux que l’on puisse observer) ont ´et´e au centre de nombreuses ´etudes astrophysiques. Ces explosions peuvent laisser des nuages gazeux, des ´etoiles `a neutrons, ou des trous noirs, objets si denses que mˆeme la lumi`ere ne peut ´echapper `a leur pesanteur.

Dans la cosmologie standard, le Big Bang produit l’hydrog`ene, l’h´elium, et

des traces du lithium, alors que tous les ´el´ements plus lourds sont synth´etis´es dans les ´etoiles et les explosions des supernovæ (voir figure 1.2). Les supernovæ

´ejectent ces ´el´ements lourds dans le milieu interstellaire, enrichissant finalement les nuages mol´eculaires qui sont les emplacements de la formation d’´etoiles.

L’existence de produits lourds prouve qu’une supernova `a contribu´e `a la com-position du syst`eme solaire il y a 4.5 milliards d’ann´ees.

28

Figure 1.2 Sch´ema d’une pre-supernova : elle est structur´ee en couches successives,

`a partir du Fer `a l’int´erieur jusqu’`a l’hydrog`ene sur la couche la plus externe.

La phase ultime de la vie d’une ´etoile massive (de plus de 8 masses solaires) commence apr`es que le cœur de fer et de nickel-56 se soit construit par phases successives de r´eactions de fusion nucl´eaire. Ces ´el´ements ´etant les plus stables (la r´eaction de fusion nucl´eaire du fer consomme de l’´energie au lieu d’en pro-duire), la fusion ne peut plus avoir lieu au cœur de l’´etoile. Priv´e de sa source d’´energie, le cœur devient incapable de supporter le poids des couches externes et donc il commence `a se contracter. Les couches externes continuent cependant

`a produire du fer et du nickel `a la surface du cœur dont la masse continue ainsi d’augmenter jusqu’`a ce qu’il atteigne la « masse de Chandrasekhar » (environ 1.4 masses solaires). `A cet instant, la pression de d´eg´en´erescence³ des ´electrons est d´epass´ee et une phase de neutronisation de quelques secondes conduit `a l’effondrement du cœur. Les ´electrons sont captur´es par les protons, g´en´erant un flux massif de neutrinos ´electroniques et transformant le cœur en une ´etoile

`a neutrons de 10-20 km de diam`etre et de la densit´e d’un noyau atomique.

Lorsque la pression thermique atteint le niveau de d´eg´en´erescence des nucl´eons,

3On dit de la mati`ere qu’elle est d´eg´en´er´ee lorsque sa densit´e est suffisamment ´elev´ee pour que le principe d’exclusion de Pauli intervienne `a l’´echelle atomique, ce qui a pour cons´equence de modifier la relation qui lie classiquement la pression et le volume d’un gaz avec sa temp´erature. `A partir d’une certaine pression (ou d’une certaine densit´e), la mati`ere est d´esordonn´ee et se comporte comme un gaz. Elle subit alors une force qui s’oppose `a sa contraction et empˆeche sa densit´e d’augmenter, c’est la pression de d´eg´en´erescence. Elle peut ˆetre vue comme une pression n´egative d’autant plus ´elev´ee que la pression positive du gaz est forte. Cet ´etat de la mati`ere se rencontre `a l’´etat naturel dans les ´etoiles, et plus particuli`erement dans les ´etoiles en fin de vie que sont les naines blanches et les ´etoiles `a neutrons

les couches externes du cœur rebondissent `a 10-20% de la vitesse de la lumi`ere.

L’onde de choc du rebond se propage vers les couches ext´erieures (dispos´ees en pelure d’oignon) et entre en comp´etition avec la mati`ere chutant vers l’int´e-rieur, de telle fa¸con qu’elle se stabilise vers 100-200 km du centre `a une vitesse

∼ 10000 km/s. Les neutrinos diffusent hors du cœur en quelques secondes et une fraction d’entre eux chauffent la zone du manteau situ´ee `a l’int´erieur de l’onde de choc (appel´ee « r´egion de gain »). Le reste est relˆach´e dans l’espace, emportant 99% de l’´energie totale de la supernova. On pense de nos jours que l’apport d’´energie `a l’onde de choc par le chauffage de la r´egion de gain dˆu aux neutrinos est l’´el´ement cl´e responsable de l’explosion de la supernova.

Pendant les deux `a trois mois suivants, la quantit´e de rayonnement lib´er´e par l’explosion initiale rivalise avec celle qui est ´emise par le reste de la galaxie enti`ere dans laquelle la supernova r´eside.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240260 280 Jours après l'explosion

0 50 100 150 200 250 10⁴ 3·10¹³

Luminositétotale(millionsdesoleils) _{Orbites de}

Pluton et Jupiter

23 février 1987

7h35 : Collapse du cœur – éclat gamma 10h 30 : Debuché du choc - éclat ultraviolet

≈ ≈

Reste de Supernovae 400 ans après

explosion

12 années lumière

Rayons X

Rayons Gamma

Neutrinos

Figure 1.3 Courbe de lumi`ere d’une supernova. Le cas montr´e est l’observation du 23 F´evrier 1987. Dans le cadre, une observation actuelle de la supernova de K´epler du 1604

Ces derni`eres ann´ees, les supernovæ sont devenues un outil important pour explorer le taux d’expansion et la g´eom´etrie de l’univers. En raison de leur grande luminosit´e, les supernovæ sont observables `a de grandes distances cos-mologiques. En d´eterminant leur luminosit´e intrins`eque, les astronomes peuvent calculer leur distance grˆace a l’´eclat apparent mesur´e avec un t´elescope (voir

fi-gure 1.3). En mesurant ´egalement les vitesses de la supernova et du centre de la galaxie hˆote par rapport `a la terre, les astronomes peuvent alors d´eduire la constante de Hubble, qui relie la vitesse de r´ecession `a la distance et caract´erise l’ˆage de l’univers.

Les explosions des supernova, posent d’autres questions. Par exemple, lors de l’explosion de la supernova SN1987a (on peut voir un sch´ema de la luminosit´e au cours du temps sur la figure 1.3), les observations X et γ, ont montr´e la pr´esence de ⁵⁶Co et ⁵⁶Ni six mois plus tˆot qu’il n’´etait pr´evu par la th´eorie. Ces

´el´ements ´etant les produits indirects du coeur de l’´etoile, les astrophysiciens durent abandonner l’hypoth`ese d’une explosion conservant la structure radiale de la supernova en pelure d’oignon (figure 1.2) Le m´ecanisme envisag´e est, `a l’inverse, un m´elange des ´el´ements lourds et l´egers de l’´etoile, dˆu aux instabilit´es hydrodynamiques de type « Rayleigh-Taylor» (et/ou « Ritchmyer-Meshkov »).

Celles-ci produisent en effet lors du passage du choc remontant les diff´erentes couches de la supernova, de la plus dense, vers la moins dense.

Un outil indispensable dans ce domaine s’av`ere ˆetre l’exp´erience de labora-toire. Une premi`ere s´erie d’exp´eriences a ´et´e men´ee par l’´equipe de [Remington et al. 1997] sur le laser Nova (on discutera plus en d´etail cette exp´erience dans la suite).

Comme nous l’avons discut´e dans l’introduction, dans la suite de l’expan-sion concernant les restes de supernova (SuperNova Remnant SNR), on a un couplage ´etroit entre l’hydrodynamique et le rayonnement : un certain nombre d’exp´eriences, dont les nˆotres, ont comme but la g´en´eration et la mesure des param`etres fondamentaux des chocs forts et de la dynamique radiative asso-ci´ee. Les exp´eriences men´ees au cours de cette th`ese ont donc ´et´e con¸cues pour approcher des conditions en laboratoire int´eressants pour l’astrophysique. Dans les deux cas (astrophysique et laboratoire), l’expansion rapide, le haut taux de compression et le couplage entre l’hydrodynamique et le rayonnement, nous m`enent dans des r´egions de la mati`ere encore inexplor´ee sur terre, mais que l’on peut observer souvent dans le ciel. Ce type d’exp´erience doit permettre (avec un processus de v´erification et validation) de valider les codes d’hydrodynamique radiative normalement utilis´es dans le cadre de la fusion thermonucl´eaire par confinement inertiel.

Des th´eories analytiques pour des chocs radiatifs avec pr´ecurseur ont ´et´e ´ega-lement d´evelopp´ees [Bouquetet al. 2000, Keilty et al. 2000, Michautet al. 2004].

Enfin, r´ecemment sur le laser de Vulcan du RAL, une exp´erience ayant pour objectif d’´etudier certains aspects des interactions de plasmas sans-collisions int´eressants pour l’astrophysique, a ´et´e effectu´ee. En particulier la dynamique de deux plasmas contre-propagatifs, avec et sans un fort champ magn´etique impos´e [Woolsey et al. 2001] a ´et´e ´etudi´ee.

Une question fondamentale se pose alors : comment peut-on relier le monde de l’astrophysique et celui des exp´eriences laser apparemment si ´eloign´es ? Une partie de la r´eponse a ´et´e apport´e par [Ryutov et al. 2000], dans la mise en

´evidence de lois d’´echelles, qui ont jet´e un pont entre ces deux mondes.