Notre ciel est recouvert d'une mer de fantômes stellaires; tous les fantômes potentiels qui sont morts depuis des millions d'années et pourtant nous ne le savons pas encore. C'est ce dont nous allons discuter aujourd'hui. Qu'est-ce qui arrive à la plus grande de nos étoiles et comment cela influence la composition même de l'univers dans lequel nous vivons.
Nous commençons ce voyage en observant la nébuleuse du crabe. Ses belles couleurs s'étendent vers l'extérieur dans le vide sombre; une tombe céleste contenant un événement violent qui s'est produit il y a des millénaires. Vous tendez la main et d'un coup de poignet, commencez à rembobiner le temps et regardez ces belles nébuleuses commencer à rétrécir. Au fur et à mesure que l'horloge tourne en arrière, les couleurs de la nébuleuse commencent à changer et vous remarquez qu'elles rétrécissent en un seul point. À l'approche du 5 juillet 1054, le nuage gazeux s'éclaircit et se dépose sur un seul point du ciel qui est aussi brillant que la pleine lune et visible pendant la journée. La luminosité s'estompe et finalement il y a eu un point précis de lumière; une étoile que nous ne voyons pas aujourd'hui. Cette étoile est morte, mais à ce moment-là, nous ne l'aurions pas su. Pour un observateur avant cette date, cette étoile est apparue éternelle, comme toutes les autres étoiles. Pourtant, comme nous le savons de notre point de vue privilégié, cette étoile est sur le point de devenir une supernova et de donner naissance à l'une des nébuleuses les plus spectaculaires que nous observons aujourd'hui.
Les fantômes stellaires sont une bonne façon de décrire bon nombre des étoiles massives que nous voyons dispersées dans l'univers. Ce que beaucoup ne réalisent pas, c'est que lorsque nous regardons profondément dans l'univers, nous regardons non seulement sur de grandes distances, mais nous regardons dans le temps. L'une des propriétés fondamentales de l'univers que nous connaissons très bien est que la lumière se déplace à une vitesse finie: environ 300 000 000 m / s (environ 671 000 000 mph). Cette vitesse a été déterminée grâce à de nombreux tests rigoureux et preuves physiques. En fait, la compréhension de cette constante fondamentale est la clé d'une grande partie de ce que nous savons sur l'univers, en particulier en ce qui concerne la relativité générale et la mécanique quantique. Malgré cela, connaître la vitesse de la lumière est essentiel pour comprendre ce que j'entends par fantômes stellaires. Vous voyez, l'information se déplace à la vitesse de la lumière. Nous utilisons la lumière des étoiles pour les observer et ainsi comprendre leur fonctionnement.
Un bon exemple de ce décalage est notre propre soleil. Notre soleil est à environ 8 minutes-lumière. Cela signifie que la lumière que nous voyons de notre étoile prend 8 minutes pour faire le voyage de sa surface à nos yeux sur la terre. Si notre soleil devait soudainement disparaître maintenant, nous ne le saurions pas pendant 8 minutes; cela n'inclut pas seulement la lumière que nous voyons, mais même son influence gravitationnelle qui s'exerce sur nous. Donc, si le soleil disparaissait en ce moment, nous continuerions sur notre trajectoire orbitale autour de notre étoile maintenant inexistante pendant 8 minutes de plus avant que les informations gravitationnelles nous atteignent nous informant que nous ne sommes plus liés par gravitation à elle. Cela établit notre limite de vitesse cosmique pour la vitesse à laquelle nous pouvons recevoir des informations, ce qui signifie que tout ce que nous observons profondément dans l'univers nous vient comme il y a un «x» il y a des années, où «x» est sa distance lumineuse par rapport à nous. Cela signifie que nous observons une étoile à 10 années-lumière de nous comme il y a 10 ans. Si cette étoile mourait en ce moment, nous ne le saurions pas avant 10 ans. Ainsi, nous pouvons le définir comme un «fantôme stellaire»; une étoile morte de son point de vue à son emplacement, mais toujours bien vivante chez nous.
Comme évoqué dans un de mes précédents articles (Stars: A Day in the Life), l'évolution d'une étoile est complexe et très dynamique. De nombreux facteurs jouent un rôle important dans tout, de déterminer si l'étoile se formera même en premier lieu, à la taille et donc à la durée de vie de ladite étoile. Dans l'article précédent mentionné ci-dessus, je couvre les bases de la formation stellaire et la vie de ce que nous appelons les étoiles de séquence principale, ou plutôt les étoiles qui sont très similaires à notre propre soleil. Alors que le processus de formation et la vie d'une étoile de la séquence principale et des étoiles dont nous discuterons sont assez similaires, il existe des différences importantes dans la façon dont les étoiles que nous étudierons meurent. Les morts d'étoiles de la séquence principale sont intéressantes, mais elles ne se comparent guère aux façons de plier l'espace-temps que ces étoiles plus grandes terminent.
Comme mentionné ci-dessus, lorsque nous observions l'étoile disparue depuis longtemps qui se trouvait au centre de la nébuleuse du crabe, il y avait un point où cet objet brillait aussi brillant que la pleine lune et pouvait être vu pendant la journée. Qu'est-ce qui pourrait faire que quelque chose devienne si brillant qu'il serait comparable à notre voisin céleste le plus proche? Étant donné que la nébuleuse du crabe se trouve à 6 523 années-lumière, cela signifie que quelque chose qui est à peu près 153 milliards de fois plus loin que notre lune brillait aussi brillante que la lune. En effet, l'étoile est devenue supernova à sa mort, ce qui est le sort des étoiles beaucoup plus grandes que notre soleil. Des étoiles plus grandes que notre soleil se retrouveront dans deux états très extrêmes à sa mort: les étoiles à neutrons et les trous noirs. Les deux sont des sujets dignes qui pourraient s'étendre sur des semaines dans un cours d'astrophysique, mais pour nous aujourd'hui, nous allons simplement passer en revue la formation de ces monstres gravitationnels et ce que cela signifie pour nous.
La vie d'une étoile est une histoire de fusion presque incontrôlée contenue par l'emprise de sa propre présence gravitationnelle. Nous appelons cet équilibre hydrostatique, dans lequel la pression extérieure des éléments de fusion dans le cœur d'une étoile est égale à celle de la pression gravitationnelle intérieure appliquée en raison de la masse de l'étoile. Au cœur de toutes les étoiles, l'hydrogène est fusionné en hélium (dans un premier temps). Cet hydrogène provenait de la nébuleuse dont l'étoile est née, qui s'est fusionnée et s'est effondrée, donnant à l'étoile sa première chance de vie. Tout au long de la durée de vie de l'étoile, l'hydrogène sera épuisé et de plus en plus de «cendres» d'hélium se condenseront au centre de l'étoile. Finalement, l'étoile manquera d'hydrogène et la fusion s'arrêtera brièvement. Ce manque de pression extérieure dû à l'absence de fusion ayant lieu temporairement permet à la gravité de gagner et d'écraser l'étoile vers le bas. À mesure que l'étoile rétrécit, la densité, et donc la température dans le cœur de l'étoile, augmente. Finalement, il atteint une certaine température et les cendres d'hélium commencent à fondre. C'est ainsi que toutes les étoiles procèdent pendant la majeure partie de sa vie et dans les premiers stades de sa mort. Cependant, c'est là que les étoiles de la taille du soleil et les étoiles massives dont nous discutons à mi-chemin.
Une étoile qui est à peu près de la taille de notre propre soleil passera par ce processus jusqu'à ce qu'elle atteigne le carbone. Les étoiles de cette taille ne sont tout simplement pas assez grandes pour fusionner le carbone. Ainsi, lorsque tout l'hélium a été fusionné en oxygène et en carbone (via deux processus trop complexes pour être couverts ici), l'étoile ne peut pas "écraser" suffisamment l'oxygène et le carbone pour démarrer la fusion, la gravité gagne et l'étoile meurt. Mais les étoiles qui ont suffisamment plus de masse que notre soleil (environ 7 fois la masse) peuvent continuer à passer devant ces éléments et continuer à briller. Ils ont suffisamment de masse pour continuer ce processus de «broyage et fusion» qu'est l'interaction dynamique au cœur de ces fours célestes.
Ces étoiles plus grandes continueront leur processus de fusion en passant par le carbone et l'oxygène, par le silicium, jusqu'à ce qu'elles atteignent le fer. Le fer est la note de mort chantée par ces monstres flamboyants, car lorsque le fer commence à remplir leur noyau maintenant mourant, l'étoile est dans ses lancers de mort. Mais ces énormes structures d'énergie n'entrent pas tranquillement dans la nuit. Ils sortent de la manière la plus spectaculaire. Lorsque le dernier des éléments non ferreux fusionne dans leurs noyaux, l'étoile commence sa décente dans l'oubli. L'étoile vient s'écraser sur elle-même car elle n'a aucun moyen d'empêcher l'adhérence implacable de la gravité, écrasant les couches subséquentes d'éléments restants de sa vie. Cette chute libre vers l'intérieur se rencontre à une certaine taille avec une force impossible à briser; une pression de dégénérescence neutronique qui oblige l'étoile à rebondir vers l'extérieur. Cette énorme quantité d'énergie gravitationnelle et cinétique recule avec une fureur qui illumine l'univers, éclipsant des galaxies entières en un instant. Cette fureur est le sang vital du cosmos; le tambour bat dans la symphonie galactique, car cette énergie intense permet la fusion d'éléments plus lourds que le fer, jusqu'à l'uranium. Ces nouveaux éléments sont projetés vers l'extérieur par cette force étonnante, chevauchant les vagues d'énergie qui les projettent profondément dans le cosmos, ensemencant l'univers avec tous les éléments que nous connaissons.
Mais que reste-t-il? Qu'y a-t-il après cet événement spectaculaire? Tout dépend à nouveau de la masse de l'étoile. Comme mentionné précédemment, les deux formes qu'une étoile massive morte prend sont soit une étoile à neutrons, soit un trou noir. Pour une étoile à neutrons, la formation est assez complexe. Essentiellement, les événements que j'ai décrits se produisent, sauf après les supernovae il ne reste qu'une boule de neutrons dégénérés. Dégénéré est simplement un terme que nous appliquons à une forme que prend la matière lorsqu'elle est compressée aux limites permises par la physique. Quelque chose de dégénéré est intensément dense, et cela est vrai pour une étoile à neutrons. Un nombre que vous avez peut-être entendu balancer est qu'une cuillère à café de matériau d'étoile à neutrons pèserait environ 10 millions de tonnes et aurait une vitesse de fuite (la vitesse nécessaire pour s'éloigner de son attraction gravitationnelle) à environ 0,4 c, soit 40% de la vitesse de la lumière. Parfois, l'étoile à neutrons tourne à des vitesses incroyables, et nous les étiquetons comme pulsars; le nom dérivé de la façon dont nous les détectons.
Ces types d'étoiles génèrent BEAUCOUP de rayonnement. Les étoiles à neutrons ont un énorme champ magnétique. Ce champ accélère les électrons dans leurs atmosphères stellaires à des vitesses incroyables. Ces électrons suivent les lignes de champ magnétique de l'étoile à neutrons jusqu'à ses pôles, où ils peuvent libérer des ondes radio, des rayons X et des rayons gamma (selon le type d'étoile à neutrons dont il s'agit). Étant donné que cette énergie est concentrée vers les pôles, elle crée une sorte d'effet de phare avec des faisceaux de haute énergie agissant comme les faisceaux de lumière d'un phare. À mesure que l'étoile tourne, ces faisceaux balaient plusieurs fois par seconde. Si la Terre, et donc notre équipement d’observation, s’oriente favorablement avec ce pulsar, nous enregistrerons ces «impulsions» d’énergie au fur et à mesure que les faisceaux des étoiles nous submergent. Pour tous les pulsars que nous connaissons, nous sommes beaucoup trop loin pour que ces faisceaux d'énergie nous blessent. Mais si nous étions proches de l'une de ces étoiles mortes, ce rayonnement qui se propage continuellement sur notre planète entraînerait une certaine extinction pour la vie telle que nous la connaissons.
Qu'en est-il de l'autre forme que prend une étoile morte? un trou noir? Comment cela se produit-il? Si le matériau dégénéré est aussi loin que possible de broyer la matière, comment apparaît un trou noir? Autrement dit, les trous noirs sont le résultat d'une étoile d'une taille inimaginable et donc d'une quantité vraiment massive de matière qui est capable de «casser» cette pression de dégénérescence neutronique lors de l'effondrement. L'étoile tombe essentiellement vers l'intérieur avec une telle force qu'elle dépasse cette limite apparemment physique, se repliant sur elle-même et enveloppant l'espace-temps en un point de densité infinie; une singularité. Cet événement étonnant se produit lorsqu'une étoile a environ 18 fois plus de masse que notre soleil a, et quand il meurt, c'est vraiment la quintessence de la physique poussée à l'extrême. Ce «petit supplément de masse» est ce qui lui permet d'effondrer cette boule de neutrons dégénérés et de tomber vers l'infini. C'est à la fois terrifiant et beau à penser; un point dans l'espace-temps qui n'est pas entièrement compris par notre physique, et pourtant quelque chose que nous savons existe. Ce qui est vraiment remarquable à propos des trous noirs, c'est que c'est comme l'univers qui travaille contre nous. Les informations dont nous avons besoin pour bien comprendre les processus dans un trou noir sont enfermées derrière un voile que nous appelons l'horizon des événements. C'est le point de non-retour d'un trou noir, pour lequel rien au-delà de ce point dans l'espace-temps n'a de chemins futurs qui en sortiraient. Rien ne s'échappe à cette distance de l'étoile effondrée en son cœur, pas même la lumière, et donc aucune information ne quitte jamais cette frontière (du moins pas sous une forme que nous pouvons utiliser). Le cœur sombre de cet objet vraiment étonnant laisse beaucoup à désirer et nous incite à pénétrer dans son royaume afin d'essayer de connaître l'inconnaissable; saisir le fruit de l'arbre de la connaissance.
Maintenant, il faut le dire, il y a encore beaucoup de recherches sur les trous noirs à ce jour. Des physiciens comme le professeur Stephen Hawking, entre autres, ont travaillé sans relâche sur la physique théorique du fonctionnement d'un trou noir, essayant de résoudre les paradoxes qui apparaissent fréquemment lorsque nous essayons d'utiliser le meilleur de notre physique contre eux. Il existe de nombreux articles et articles sur ces recherches et leurs conclusions ultérieures, je ne vais donc pas me plonger dans leurs subtilités à la fois pour préserver la simplicité de la compréhension et pour ne pas éloigner les esprits incroyables qui travaillent sur ces questions. Beaucoup suggèrent que la singularité est une curiosité mathématique qui ne représente pas complètement ce qui se passe physiquement. Que la matière à l'intérieur d'un horizon événementiel peut prendre des formes nouvelles et exotiques. Il convient également de noter que dans la relativité générale, tout ce qui a de la masse peut s'effondrer dans un trou noir, mais nous tenons généralement à une gamme de masses car créer un trou noir avec rien de moins que ce qui est dans cette gamme de masse dépasse notre compréhension de la façon dont cela pourrait arriver. Mais en tant que personne qui étudie la physique, je m'en voudrais de ne pas mentionner qu'à partir de maintenant, nous sommes à un croisement intéressant d'idées qui traitent très intimement de ce qui se passe réellement dans ces spectres de gravité.
Tout cela me ramène à un point qui doit être souligné. Un fait qui doit être reconnu. En décrivant la mort de ces étoiles massives, j'ai évoqué quelque chose qui se produit. Alors que l'étoile est déchirée de sa propre énergie et que son contenu est projeté vers l'extérieur dans l'univers, quelque chose appelé nucléosynthèse se produit. Il s'agit de la fusion d'éléments pour créer de nouveaux éléments. De l'hydrogène à l'uranium. Ces nouveaux éléments sont projetés vers l'extérieur à des vitesses incroyables, et donc tous ces éléments finiront par se retrouver dans les nuages moléculaires. Les nuages moléculaires (nébuleuses sombres) sont les pépinières stellaires du cosmos. C'est là que les étoiles commencent. Et de la formation d'étoiles, nous obtenons une formation planétaire.
Lorsqu'une étoile se forme, un nuage de débris composé du nuage moléculaire qui a donné naissance à cette étoile commence à tourner autour d'elle. Ce nuage, comme nous le savons maintenant, contient tous ces éléments qui ont été cuits dans nos supernovae. Le carbone, l'oxygène, les silicates, l'argent, l'or; tous présents dans ce nuage. Ce disque d'accrétion de cette nouvelle étoile est l'endroit où les planètes se forment, se dissolvant de cet environnement enrichi. Des boules de roche et de glace se heurtent, s'accumulent, se déchirent puis se reforment alors que la gravité travaille ses mains assidues pour façonner ces nouveaux mondes en îles de possibilité. Ces planètes sont formées à partir de ces mêmes éléments qui ont été synthétisés lors de cette éruption cataclysmique. Ces nouveaux mondes contiennent les plans de vie tels que nous les connaissons.
Sur l'un de ces mondes, un certain mélange d'hydrogène et d'oxygène se produit. Dans ce mélange, certains atomes de carbone se forment pour créer des chaînes de réplication qui suivent un schéma simple. Peut-être après des milliards d'années, ces mêmes éléments qui ont été jetés dans l'univers par cette étoile mourante se retrouvent à donner vie à quelque chose qui peut regarder et apprécier la majesté qu'est le cosmos. Peut-être que quelque chose a l'intelligence pour réaliser que l'atome de carbone qu'il contient est le même atome de carbone qui a été créé dans une étoile mourante, et qu'une supernovae s'est produite qui a permis à cet atome de carbone de se frayer un chemin dans la bonne partie de l'univers à Le bon moment. L'énergie qui était le dernier souffle mourant d'une étoile morte depuis longtemps était la même énergie qui permettait à la vie de prendre son premier souffle et de regarder les étoiles. Ces fantômes stellaires sont nos ancêtres. Ils ont disparu, mais restent dans notre mémoire chimique. Ils existent en nous. Nous sommes supernova. Nous sommes poussière d'étoile. Nous descendons de fantômes stellaires…
