supernova à instabilité de paires

Dans le nuage dense de gaz et de poussière où naissent les étoiles massives, deux jeunes étoiles se sont récemment frôlées de très près. Leur danse ne dure qu'une soixantaine d'années, et pour la première fois, les astronomes en ont observé les détails.

Dans la forge de l'univers, les étoiles ne fondent pas du fer, mais des noyaux atomiques. Un four ordinaire en est capable, mais parfois la chaleur devient telle que le four explose en morceaux. C'est apparemment ce qui est arrivé à la supernova SN 2024afyu.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé au point qu'une cuillère à café de sa matière pèserait aussi lourd qu'une montagne. À l'intérieur d'un tel objet, les protons et les neutrons sont tassés au plus près, et sous une pression énorme, des hyperons peuvent y apparaître — des particules contenant un quark étrange.

Un phare ne brille pas de manière continue, mais par de brefs éclats lumineux. L'étoile à neutrons du système 4U 1323-62 est un tel phare dans le domaine des rayons X. Elle attire le gaz de son étoile compagne, et lorsque suffisamment de matière s'accumule à sa surface, une explosion thermonucléaire se produit — un sursaut de rayons X.

En physique nucléaire, une énigme demeurait : pourquoi, parmi les éléments plus légers que le bismuth, seuls le technétium (n°43) et le prométhium (n°61) ne possèdent-ils aucun isotope stable ? Tous leurs voisins du tableau périodique peuvent se vanter d'avoir au moins une variante à longue durée de vie, mais ces deux-là semblent échapper à la règle générale.

Un jeune amas d'étoiles ressemble à un orchestre avant le concert : chaque instrument s'accorde à sa manière, et le bourdonnement général semble chaotique. Mais si l'on tend l'oreille, on peut distinguer des notes individuelles.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent non seulement des trous noirs supermassifs, mais aussi d'immenses nuages de matière invisible. Si cette matière est composée de particules ultra-légères, elle peut se rassembler en amas denses — une sorte d'« étoiles » de matière noire.

Deux sphères hyperdenses, chacune de la taille d'une ville, tournent en une danse. Leur masse est inférieure à celle du Soleil, mais à l'intérieur, la matière est comprimée à des limites inimaginables. L'une est une étoile à neutrons, l'autre une étoile étrange, entièrement composée de quarks (les particules élémentaires qui constituent les protons et les neutrons).

Les étoiles à bosons sont des atomes gravitationnels. Mais au lieu d'une charge électrique, c'est la gravité elle-même qui sert de noyau, retenant un nuage de champ scalaire en amas quantifiés. Dès les années 1930, F.

Un bébé brûlant et un adulte glacial : la même étoile à neutrons se présente différemment selon son âge. À peine née dans l'explosion d'une supernova, elle est portée à des dizaines de milliards de degrés. Mais avec le temps, elle se refroidit et se contracte, comme un métal qui se rétracte en refroidissant.

La collision de deux étoiles à neutrons est une forge cosmique où se créent en quelques secondes les éléments les plus lourds du tableau périodique. En 2017, les détecteurs ont capté les ondes gravitationnelles d'une telle fusion, et les télescopes ont observé une lueur — une kilonova.

Les détecteurs LIGO et Virgo capturent les ondulations de l'espace-temps, mais certains signaux obligent à réécrire les scénarios de mort stellaire.

Une corde sonne parfaitement pur tant qu'un courant d'air ne la touche pas. C'est à peu près ainsi que fonctionne un laser superradiant : un faisceau d'atomes, préalablement chargés d'énergie, traverse une pièce faite de deux miroirs — le résonateur optique (un piège où la lumière rebondit d'avant en arrière).

Au cœur d'une étoile à neutrons — le vestige d'une étoile explosée — la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse des milliards de tonnes. Parmi cette matière hyperdense, une variété particulière de force pourrait agir, une qui ne concerne que les neutrinos muoniques et tauiques.

Deux pierres tombent dans un étang. Chacune crée des ondulations, mais quand elles se heurtent, il y a une éclaboussure et un choc bref et sonore. C'est à peu près ainsi que sonne la fusion de deux étoiles à neutrons — ces résidus ultra-denses d'étoiles explosées.

Imaginez un funambule en équilibre au-dessus d'un gouffre. Chaque pas modifie la tension du fil, et le moindre déplacement du centre de gravité peut être fatal.

Dans un orchestre, chaque musicien joue sa partition, mais à un moment donné, tous les instruments s'arrêtent sur une même note. C'est à peu près ce que font les rayons cosmiques — ces particules qui nous parviennent depuis des étoiles lointaines.

Un patineur sur glace ramène ses bras contre son corps et sa rotation s'accélère brusquement. Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant et que son noyau s'effondre, un phénomène analogue se produit, mais à l'échelle cosmique.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est si fortement comprimée que les noyaux atomiques s'agglutinent en longs filaments et en feuilles plates. Les astrophysiciens appellent ces structures des pâtes nucléaires. À leur surface, la densité de la matière chute presque à zéro — comme si vous surgissiez d'une gelée épaisse dans un air raréfié.

Dans la famille des résidus ultra-denses d'étoiles mortes, un vide a longtemps béé. Les étoiles à neutrons — des toupies fulgurantes de la taille d'une ville — dépassent rarement deux masses solaires. Les trous noirs commencent aux alentours de cinq masses solaires. Entre les deux, un « gouffre » où l'on n'a trouvé aucun objet pendant des décennies.

Une ampoule qui ne grille pas, mais qui s'emballe et devient de plus en plus brillante jusqu'à faire voler en éclats tout le luminaire. C'est à peu près ainsi que meurent les étoiles les plus massives de l'Univers. Lorsque le cœur d'une étoile atteint des milliards de degrés, des paires de particules commencent à s'y créer : des électrons et leurs antiparticules, les positons.

Quand une soupe chaude refroidit, des grumeaux se forment à la surface — de même, l'Univers primordial, en refroidissant, a engendré des filaments d'énergie, les cordes cosmiques. Certaines ressemblent à un élastique tendu : tant qu'il est intact, il est stable. Mais si on l'entaille, il se rompt.

Dans une salle bondée où des couples tournoient, une vague peut parfois parcourir l'assemblée : certaines paires se dissocient, d'autres se forment, et le mouvement entraîne tout le monde. C'est un peu ainsi que se comporte un nuage dense de neutrinos — ces particules minuscules qui interagissent à peine avec la matière.

La dernière moisson d'ondes gravitationnelles a apporté son lot de mystères. Les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont capté des dizaines de signaux provenant de fusions de trous noirs, et sur le graphique de leurs masses, un vide béant apparaît : les objets plus lourds que 45 Soleils sont presque inexistants, et ceux qui existent…

Dans l'amas de la Règle, l'amas de galaxies riche le plus proche de nous, les astronomes ont repéré une onde de choc. Elle est née lorsqu'un amas a percuté un autre, comme la vague à la proue d'un navire fendant l'eau. Cette onde a comprimé et chauffé le gaz entre les galaxies. Deux galaxies se trouvent juste derrière le front de l'onde.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé à la taille d'une ville. En son cœur, la matière est si dense qu'une cuillère à café de cette matière pèserait autant qu'une montagne. À une telle densité, comme le prédit la théorie des interactions fortes, les particules acquièrent des « jumeaux » – des partenaires de parité.

En 2019, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont capté un signal provenant de la fusion d'objets lointains. L'un d'eux était un trou noir de 23 masses solaires. Le second ne pesait que 2,5 masses solaires — et c'est étrange.

Deux projecteurs placés côte à côte : de loin, leur lumière se fond en une seule tache, et l'on croit voir une source unique. Il en va de même dans l'espace : environ 10 à 20 % des étoiles faibles sont en réalité des paires serrées d'astres identiques. On ne peut pas les distinguer individuellement, mais ensemble, elles brillent nettement plus qu'une étoile simple ayant les mêmes paramètres.

Dans les données radio du ciel, comme sur une vieille pellicule photographique, deux bandes de gaz lumineuses sont apparues. Elles se déplacent à des vitesses différentes, mais restent suspendues près de la même étoile faible. L'étoile et les bandes se trouvent à l'intérieur d'une immense bulle vide dans le gaz interstellaire.

Au centre d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée si fort que les protons et les neutrons se transforment en particules plus lourdes — les hyperons. Ces particules ressemblent aux neutrons, mais contiennent un quark étrange.

Dans un recoin sombre de la Voie lactée, un métronome naturel fonctionne. Toutes les 8196 secondes, soit environ 2 heures 16 minutes, un éclat de rayons X jaillit à la surface d'une étoile à neutrons. L'étoile EP J171159.4-333253 attire le gaz de son étoile voisine, et ce gaz, en tombant, s'accumule à sa surface.

Dans un amas stellaire, comme sur une piste de danse bondée, les étoiles massives restent rarement seules. Le plus souvent, elles tournent en paires ou en trios, et la distance entre elles peut être plus petite que celle de la Terre au Soleil.

Le télescope spatial James Webb a repéré des points de lumière brillants provenant d'une époque où seulement 100 à 300 millions d'années s'étaient écoulées depuis le Big Bang.

Sur un pont, on a arraché le milieu — et personne n'attend de voitures sur l'autre rive. C'est ainsi que les astronomes voyaient les trous noirs de 50 à 130 masses solaires : les étoiles capables de les créer explosent en supernovae à instabilité de paire — le cœur chauffe tant que la lumière engendre des particules et des…

En 1181, les astronomes chinois et japonais ont consigné l'apparition d'une « étoile invitée », un astre brillant qui a brillé pendant six mois dans la constellation de Cassiopée avant de disparaître. Aujourd'hui, à cet endroit se trouve Pa 30, une nébuleuse avec une source centrale chaude qui éjecte de la matière à une vitesse de 16 000 km/s.

Dans le havre tranquille de la bulle locale — une cavité de gaz chaud et raréfié autour du Soleil — une explosion a récemment retenti. Une supernova a brillé à quelques dizaines de parsecs de nous, et son écho résonne encore dans les environs, modifiant le paysage des rayons cosmiques.