23.E : La mort des étoiles (exercices)

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Pour de plus amples explications

Des articles

La mort des étoiles

Hillebrandt, W., et coll. « Comment faire exploser une étoile. » Scientific American (octobre 2006) : 42. Sur les mécanismes des supernovas.

Irion, R. « À la recherche des étoiles les plus extrêmes ». Astronomie (janvier 1999) : 48. Sur des pulsars.

Kalirai, J. « Un nouvel éclairage sur le destin de notre soleil ». Astronomie (février 2014) : 44. Qu'arrivera-t-il à des étoiles comme notre Soleil entre la séquence principale et les stades de la naine blanche ?

Kirshner, R. « Supernova 1987A : les dix premières années ». Sky & Telescope (février 1997) : 35.

Maurer, S. « Prendre le pouls des étoiles à neutrons ». Sky & Telescope (août 2001) : 32. Revue des idées et observations récentes sur les pulsars.

Zimmerman, R. « Dans le Maelström ». Astronomie (novembre 1998) : 44. À propos de la nébuleuse du crabe.

Sursauts gamma

Fox, D. et Racusin, J. « L'explosion la plus brillante ». Sky & Telescope (janvier 2009) : 34. Joli résumé de l'explosion la plus brillante observée jusqu'à présent et de ce que nous en avons appris.

Nadis, S. « Les éclairs cosmiques révélent-ils les secrets de l'univers infantile ? » Astronomie (juin 2008) : 34. Sur les différents types de sursauts gamma et sur ce que nous pouvons en tirer.

Naeye, R. « Disséquer les éclats du malheur ». Sky & Telescope (août 2006) : 30. Excellente revue des sursauts gamma : comment nous les avons découverts, ce qu'ils pourraient être et à quoi ils peuvent servir pour sonder l'univers.

Zimmerman, R. « La vitesse compte ». Astronomie (mai 2000) : 36. Sur les réseaux d'alerte rapide pour détecter les rémanences.

Zimmerman, R. « Témoin de collisions cosmiques ». Astronomie (juillet 2006) : 44. À propos de la mission Swift et de ce qu'elle enseigne aux astronomes sur les sursauts gamma.

Sites Web

La mort des étoiles

Nébuleuse du crabe : http://chandra.harvard.edu/xray_sources/crab/crab.html. Une courte introduction colorée à l'histoire et à la science impliquant le vestige de supernova le plus connu.

Présentation des étoiles à neutrons : https://www.astro.umd.edu/~miller/nstar.html. Coleman Miller de l'Université du Maryland gère ce site, qui va de facile à difficile au fur et à mesure que vous y accédez, mais il contient de nombreuses informations utiles sur les cadavres d'étoiles massives.

Introduction aux pulsars (par Maryam Hobbs à l'Australia National Telescope Facility) : http://www.atnf.csiro.au/outreach/education/everyone/pulsars/index.html.

Magnétars, répéteurs gamma doux et champs magnétiques très puissants : http://solomon.as.utexas.edu/magnetar.html. Robert Duncan, l'un des initiateurs de l'idée des magnétars, a assemblé ce site il y a quelques années.

Sursauts gamma

Brève introduction aux sursauts gamma (extrait de Seeing in the Dark de PBS) : http://www.pbs.org/seeinginthedark/astronomy-topics/gamma-ray-bursts.html.

Découverte des sursauts gamma : http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1997/ast19sep97_2/.

Gamma-Ray Bursts : Introduction to a Mystery (sur le site Imagine the Universe de la NASA) : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/bursts.html.

Introduction tirée du site satellite Swift : swift.sonoma.edu/about_swift/grbs.html.

Missions pour détecter et en savoir plus sur les sursauts gamma :

Télescope spatial Fermi : http://fermi.gsfc.nasa.gov/public/.
Engin spatial INTEGRAL : www.esa.int/science/integral.
Engin spatial SWIFT : swift.sonoma.edu/.

Vidéos

La mort des étoiles

Entretien de la BBC avec Antony Hewish : http://www.bbc.co.uk/archive/scientists/10608.shtml. (40:54).

Black Widow Pulsars : Les cadavres vengeurs des étoiles : https://www.youtube.com/watch?v=Fn-3G_N0hy4. Une conférence publique dans le cadre de la série de conférences sur l'astronomie de la Silicon Valley par le Dr Roger Romani (Université de Stanford) (1:01:47).

Hubblecast 64 : Tout se termine en beauté ! : http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast64a/. Programme HubbleCast présentant Supernovae avec le Dr Joe Liske (9:48).

Un film spatial révèle les secrets choquants du pulsar de crabe : http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2002/24/video/c/. Une séquence d'images du télescope spatial Hubble et Chandra des régions centrales de la nébuleuse du Crabe a été assemblée dans un très bref film accompagné d'une animation montrant comment le pulsar affecte son environnement ; il est accompagné de quelques informations de base utiles (40:06).

Sursauts gamma

Les sursauts gamma : les plus grosses explosions depuis le Big Bang ! : https://www.youtube.com/watch?v=ePo_EdgV764. Edo Berge lors d'une conférence populaire à Harvard (58:50).

Sursauts gamma : éclairs dans le ciel : https://www.youtube.com/watch?v=23EhcAP3O8Q. Bulletin scientifique du Musée américain d'histoire naturelle sur le satellite Swift (5:59).

Animation générale du sursaut gamma : http://news.psu.edu/video/296729/2013/11/27/overview-animation-gamma-ray-burst. Brève animation de la cause d'un sursaut gamma de longue durée (0:55).

Activités de groupe collaboratives

Un membre de votre groupe utilise un grand télescope pour observer une couche de gaz en expansion. Discutez des mesures que vous pourriez effectuer pour déterminer si vous avez découvert une nébuleuse planétaire ou le vestige de l'explosion d'une supernova.
L'étoile Sirius (l'étoile la plus brillante de notre ciel nordique) a un compagnon nain blanc. Sirius a une masse d'environ 2\(M_{\text{Sun}}\) et se trouve toujours dans la séquence principale, tandis que son compagnon est déjà un cadavre d'étoile. N'oubliez pas qu'une naine blanche ne peut pas avoir une masse supérieure à 1,4 \ (M_ {\ text {Sun}} |). En supposant que les deux étoiles se soient formées en même temps, votre groupe devrait discuter de la façon dont Sirius pourrait avoir un compagnon nain blanc. Conseil : La masse initiale de l'étoile naine blanche était-elle plus ou moins grande que celle de Sirius ?
Discutez avec votre groupe de ce que les gens feraient aujourd'hui si une étoile brillante devenait soudainement visible pendant la journée. Quel genre de peur et de superstition peuvent découler d'une supernova qui brillait vraiment dans notre ciel ? Demandez à votre groupe d'inventer des titres que les tabloïds et les médias Web moins responsables publieraient.
Supposons qu'une supernova ait explosé à seulement 40 années-lumière de la Terre. Demandez à votre groupe de discuter des effets que cela peut avoir sur la Terre lorsque le rayonnement nous atteint et plus tard lorsque les particules nous atteignent. Y aurait-il un moyen de protéger les gens contre les effets des supernovas ?
Lorsque les pulsars ont été découverts, les astronomes impliqués dans la découverte ont parlé de la découverte de « petits hommes verts ». Si vous aviez été à leur place, quels tests auriez-vous effectués pour déterminer si une telle source pulsatile d'ondes radio était naturelle ou le résultat d'une intelligence extraterrestre ? Aujourd'hui, plusieurs groupes à travers le monde recherchent activement d'éventuels signaux radio provenant de civilisations intelligentes. En quoi pourriez-vous vous attendre à ce que ces signaux diffèrent des signaux pulsar ?
Votre petit frère, qui n'a pas suivi de cours d'astronomie, lit des articles sur les naines blanches et les étoiles à neutrons dans un magazine et décide qu'il serait amusant de s'en approcher ou même d'essayer d'atterrir dessus. Est-ce une bonne idée pour le tourisme de demain ? Demandez à votre groupe de dresser une liste des raisons pour lesquelles il ne serait pas sécuritaire pour les enfants (ou les adultes) de s'approcher d'une naine blanche et d'une étoile à neutrons.
Les astronomes ont consacré beaucoup de temps et de nombreux instruments à déterminer la nature des sursauts gamma. Votre groupe partage-t-il l'enthousiasme des astronomes face à ces mystérieux événements à haute énergie ? Quelles sont les raisons pour lesquelles des personnes extérieures à l'astronomie peuvent souhaiter en savoir plus sur les sursauts gamma ?

Questions de révision

En quoi une naine blanche diffère-t-elle d'une étoile à neutrons ? Comment se forme chaque formulaire ? Qu'est-ce qui empêche chacun de s'effondrer sous son propre poids ?
Décrivez l'évolution d'une étoile ayant une masse similaire à celle du Soleil, depuis la phase principale de son évolution jusqu'à ce qu'elle devienne une naine blanche.
Décrivez l'évolution d'une étoile massive (disons 20 fois la masse du Soleil) jusqu'au point où elle devient une supernova. En quoi l'évolution d'une étoile massive diffère-t-elle de celle du Soleil ? Pourquoi ?
En quoi les deux types de supernovae abordés dans ce chapitre diffèrent-ils ? Quel type d'étoile donne naissance à chaque type ?
Une étoile commence sa vie avec une masse de 5\(M_{\text{Sun}}\) mais finit sa vie comme une naine blanche d'une masse de 0,8\(M_{\text{Sun}}\). Énumérez les étapes de la vie de l'étoile au cours desquelles elle a probablement perdu une partie de sa masse initiale. Comment s'est produite la perte de masse à chaque étape ?
Si la formation d'une étoile à neutrons entraîne l'explosion d'une supernova, expliquez pourquoi seuls trois des centaines de pulsars connus se trouvent dans les restes de supernova.
Comment la nébuleuse du Crabe peut-elle briller avec l'énergie d'environ 100 000 soleils lorsque l'étoile qui l'a formée a explosé il y a près de 1000 ans ? Qui « paie les factures » de la majeure partie des radiations que nous voyons en provenance de la nébuleuse ?
En quoi une nova diffère-t-elle d'une supernova de type Ia ? En quoi diffère-t-elle d'une supernova de type II ?
Hormis les masses, en quoi les systèmes binaires dotés d'une étoile à neutrons sont-ils différents des systèmes binaires dotés d'une naine blanche ?
Quelles observations du SN 1987A ont permis de confirmer les théories concernant les supernovae ?
Décrivez l'évolution d'une naine blanche au fil du temps, en particulier la façon dont la luminosité, la température et le rayon changent.
Décrire l'évolution d'un pulsar au fil du temps, en particulier la façon dont le signal de rotation et d'impulsion change au fil du temps.
En quoi une naine blanche formée à partir d'une étoile ayant une masse initiale de 1\(M_{\text{Sun}}\) serait-elle différente d'une naine blanche formée à partir d'une étoile ayant une masse initiale de 9\(M_{\text{Sun}}\) ?
Quelles sont, selon les astronomes, les causes des sursauts gamma de plus longue durée et des sursauts gamma de plus courte durée ?
Comment les astronomes ont-ils enfin résolu le mystère de ce qu'étaient les sursauts gamma ? Quels instruments étaient nécessaires pour trouver la solution ?

Questions de réflexion

Disposez les étoiles suivantes par ordre d'évolution :
1. Une étoile dont le cœur ne produit aucune réaction nucléaire, principalement composé de carbone et d'oxygène.
2. Une étoile de composition uniforme du centre à la surface ; elle contient de l'hydrogène mais ne produit aucune réaction nucléaire dans son cœur.
3. Une étoile qui fusionne de l'hydrogène pour former de l'hélium dans son cœur.
4. Une étoile qui fusionne de l'hélium en carbone dans le cœur et de l'hydrogène en hélium dans une coque autour du cœur.
5. Une étoile qui ne produit aucune réaction nucléaire dans son cœur, mais qui fusionne de l'hydrogène pour former de l'hélium dans une coquille autour du cœur.
Vous attendriez-vous à trouver des naines blanches dans la nébuleuse d'Orion ? (Voir La naissance des étoiles et la découverte de planètes en dehors du système solaire pour vous rappeler ses caractéristiques.) Pourquoi ou pourquoi pas ?
Supposons qu'aucune étoile plus massive que 2 \ (M_ {\ text {Sun}} |) ne se soit jamais formée. La vie telle que nous la connaissons aurait-elle pu se développer ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
Seriez-vous plus susceptible d'observer une supernova de type II (l'explosion d'une étoile massive) dans un amas globulaire ou dans un amas ouvert ? Pourquoi ?
Les astronomes pensent qu'il y a environ 100 millions d'étoiles à neutrons dans la Galaxie, mais nous n'avons trouvé qu'environ 2 000 pulsars dans la Voie lactée. Donnez plusieurs raisons pour lesquelles ces chiffres sont si différents. Expliquez chaque raison.
Vous attendriez-vous à observer toutes les supernovas de notre galaxie ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
Le Grand Nuage de Magellan possède environ un dixième du nombre d'étoiles que l'on trouve dans notre galaxie. Supposons que le mélange d'étoiles de masse élevée et de faible masse soit exactement le même dans les deux galaxies. À quelle fréquence environ une supernova apparaît-elle dans le Grand Nuage de Magellan ?
Consultez la liste des étoiles les plus proches à l'annexe I. Vous attendez-vous à ce que certaines d'entre elles deviennent des supernovae ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
Si la plupart des étoiles deviennent des naines blanches à la fin de leur vie et que la formation de naines blanches s'accompagne de la production d'une nébuleuse planétaire, pourquoi y a-t-il plus de naines blanches que de nébuleuses planétaires dans la Galaxie ?
Si une étoile 3 et une\(M_{\text{Sun}}\) étoile 8 se formaient ensemble dans un système binaire, quelle étoile :
1. Vous quittez d'abord la séquence principale ?
2. Former une naine blanche riche en carbone et en oxygène ?
3. Être le lieu de l'explosion d'une nova ?
Vous avez découvert deux amas d'étoiles. Le premier groupe contient principalement des étoiles de la séquence principale, ainsi que des étoiles géantes rouges et quelques naines blanches. Le deuxième groupe contient également principalement des étoiles de la séquence principale, ainsi que quelques étoiles géantes rouges et quelques étoiles à neutrons, mais aucune étoile naine blanche. Quels sont les âges relatifs des clusters ? Comment avez-vous déterminé votre réponse ?
Un vestige de supernova a récemment été découvert et il a été découvert qu'il était âgé d'environ 150 ans. Indiquez les raisons possibles pour lesquelles cette explosion de supernova a échappé à la détection.
Sur la base de l'évolution des étoiles, classez les éléments suivants du moins au plus courant dans la Galaxie : or, carbone, néon. Quels aspects de l'évolution des étoiles ont servi de base à la façon dont vous avez ordonné les éléments ?
Quelles observations ou types de télescopes utiliseriez-vous pour distinguer un système binaire comprenant une étoile de séquence principale et une étoile naine blanche d'un système contenant une étoile de séquence principale et une étoile à neutrons ?
En quoi le spectre d'une supernova de type II serait-il différent de celui d'une supernova de type Ia ? Conseil : Tenez compte des caractéristiques des objets qui en sont la source.

Se débrouiller par vous-même

L'anneau autour du SN 1987A (Figure\(23.3.4\) de la section 23.3) s'est d'abord illuminé lorsque des photons énergétiques provenant de la supernova ont interagi avec le matériau de l'anneau. Le rayon de l'anneau est d'environ 0,75 année-lumière à partir de l'emplacement de la supernova. Combien de temps après la supernova, l'anneau s'est-il illuminé ?
Qu'est-ce que l'accélération de la gravité (\(g\)) à la surface du Soleil ? (Voir l'annexe E pour les principales caractéristiques du soleil.) Quelle est la valeur supérieure à g à la surface de la Terre ? Calculez ce que vous pèseriez à la surface du soleil. Votre poids serait votre poids terrestre multiplié par le rapport entre l'accélération de la gravité sur le Soleil et l'accélération de la gravité sur Terre. (D'accord, nous savons que le Soleil n'a pas de surface solide sur laquelle se poser et que vous seriez vaporisé si vous étiez dans la photosphère du Soleil. Faites-nous plaisir de faire ces calculs.)
Quelle est la vitesse d'échappement du Soleil ? Dans quelle mesure est-elle supérieure à la vitesse d'échappement de la Terre ?
Quelle est la densité moyenne du Soleil ? Comment se compare-t-elle à la densité moyenne de la Terre ?
Supposons qu'une naine blanche particulière ait la masse du Soleil mais le rayon de la Terre. Quelle est l'accélération de la gravité à la surface de la naine blanche ? Dans quelle mesure est-ce plus important qu'\(g\)à la surface de la Terre ? Que pèseriez-vous à la surface de la naine blanche (ce qui nous donne encore une fois l'idée douteuse que vous pourriez y survivre) ?
Quelle est la vitesse de fuite de la naine blanche lors de l'exercice précédent (5) ? Dans quelle mesure est-elle supérieure à la vitesse d'échappement de la Terre ?
Quelle est la densité moyenne de la naine blanche dans l'exercice 5 ? Comment se compare-t-elle à la densité moyenne de la Terre ?
Prenons maintenant une étoile à neutrons dont la masse est deux fois supérieure à celle du Soleil mais dont le rayon est de 10 km. Quelle est l'accélération de la gravité à la surface de l'étoile à neutrons ? Quelle est la valeur supérieure à g à la surface de la Terre ? Que pèseriez-vous à la surface de l'étoile à neutrons (à condition de ne pas devenir une flaque de protoplasme) ?
Quelle est la vitesse d'échappement de l'étoile à neutrons lors de l'exercice précédent (8) ? Dans quelle mesure est-elle supérieure à la vitesse d'échappement de la Terre ?
Quelle est la densité moyenne de l'étoile à neutrons dans l'exercice 8 ? Comment se compare-t-elle à la densité moyenne de la Terre ?
Une façon de calculer le rayon d'une étoile consiste à utiliser sa luminosité et sa température et à supposer que l'étoile rayonne approximativement comme un corps noir. Les astronomes ont mesuré les caractéristiques des étoiles centrales des nébuleuses planétaires et ont découvert qu'une étoile centrale typique est 16 fois plus lumineuse et 20 fois plus chaude (environ 110 000 K) que le Soleil. Trouvez le rayon en fonction de celui du Soleil. Comment ce rayon se compare-t-il à celui d'une naine blanche typique ?
Selon un modèle décrit dans le texte, une étoile à neutrons a un rayon d'environ 10 km. Supposons que les impulsions se produisent une fois par rotation. Selon la théorie relative d'Einstein, rien ne peut se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière. Assurez-vous que ce modèle de pulsar ne viole pas la relativité. Calculez la vitesse de rotation du pulsar de la nébuleuse du Crabe à son équateur, en fonction de sa période de 0,033 s. (N'oubliez pas que la distance est égale à la vitesse × le temps et que la circonférence d'un cercle est donnée par\(2 \pi R\)).
Faites les mêmes calculs que dans l'exercice précédent, mais pour un pulsar qui tourne 1000 fois par seconde.
Si le Soleil était remplacé par une naine blanche ayant une température de surface de 10 000 K et un rayon égal à celui de la Terre, comment sa luminosité se comparerait-elle à celle du Soleil ?
Une supernova peut éjecter de la matière à une vitesse de 10 000 km/s. Combien de temps faudrait-il à un vestige de supernova pour s'étendre dans un rayon de 1 UA ? Combien de temps faudrait-il pour atteindre un rayon de 1 année-lumière ? Supposons que la vitesse d'expansion reste constante et utilisez la relation suivante :\[\text{expansion time } = \frac{\text{distance}}{\text{expansion velocity}}. \nonumber\]
En 2007, on a observé qu'un vestige de supernova s'étendait à une vitesse de 14 000 km/s et avait un rayon de 6,5 années-lumière. En supposant une vitesse d'expansion constante, en quelle année cette supernova est-elle apparue ?
L'anneau autour du SN 1987A (figure\(23.3.4\) de la section 23.3) a commencé à interagir avec la matière propulsée par l'onde de choc de la supernova à partir de 1997 (10 ans après l'explosion). Le rayon de l'anneau est d'environ 0,75 année-lumière à partir de l'emplacement de la supernova. À quelle vitesse se déplace le matériau de la supernova, supposons une vitesse de mouvement constante en km/s ?
Avant que l'étoile devenue SN 1987A n'explose, elle est passée d'une supergéante rouge à une supergéante bleue tout en conservant la même luminosité. En tant que supergéante rouge, sa température de surface aurait été d'environ 4 000 K, tandis que pour une supergéante bleue, sa température de surface aurait été de 16 000 K. Dans quelle mesure le rayon a-t-il changé lorsqu'elle est passée d'une supergéante rouge à une supergéante bleue ?
Quel est le rayon de l'étoile progénitrice devenue SN 1987A ? Sa luminosité était 100 000 fois supérieure à celle du Soleil et sa température de surface était de 16 000 K.
Quelle est l'accélération de la gravité à la surface de l'étoile devenue SN 1987A ? Comment cela se\(g\) compare-t-il à celui de la surface de la Terre ? La masse était 20 fois supérieure à celle du Soleil et le rayon 41 fois supérieur à celui du Soleil.
Quelle était la vitesse d'échappement depuis la surface de l'étoile progénitrice SN 1987A ? Dans quelle mesure est-elle supérieure à la vitesse d'échappement de la Terre ? La masse était 20 fois supérieure à celle du Soleil et le rayon 41 fois supérieur à celui du Soleil.
Quelle était la densité moyenne de l'étoile devenue SN 1987A ? Comment se compare-t-elle à la densité moyenne de la Terre ? La masse était 20 fois supérieure à celle du Soleil et le rayon 41 fois supérieur à celui du Soleil.
Si le pulsar illustré dans la figure\(23.4.3\) [section 23.3] tourne 100 fois par seconde, combien d'impulsions seraient détectées en une minute ? Les deux faisceaux sont situés le long de l'équateur du pulsar, qui est aligné avec la Terre.