Des scientifiques ont simulé l’explosion d’une supernova et la formation d’étoiles en laboratoire

À l’aide de balles en mousse et de faisceaux laser.

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Le vestige de la supernova Cassiopée A, photographié par le télescope spatial Hubble. | NASA, ESA, et la collaboration Hubble Heritage (STScI/AURA)
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Une supernova est l’explosion d’une étoile massive en fin de vie, qui aboutit à la création d’un rémanent et peut créer des ondes de choc. Ce type d’agent externe peut alors se combiner aux nuages moléculaires pour former de nouvelles étoiles. Avec de minuscules balles en mousse et des faisceaux laser, des chercheurs viennent de modéliser le processus en laboratoire. Cela permettrait notamment d’expliquer comment notre propre système solaire s’est formé.

Les nuages moléculaires sont des amas de gaz et de poussières dans l’espace qui présentent un certain état d’équilibre. Toutefois, ils peuvent être perturbés par un agent externe comme un reste de supernova, un jet de plasma, un rayonnement ou un autre nuage. Des ondes de choc se propagent alors dans le gaz et la poussière, et les compriment, créant des poches de matière dense. Passée une certaine limite, ce gaz et cette poussière denses s’effondrent et commencent à former de nouvelles étoiles.

Appelé « formation d’étoiles déclenchée » (TSF), il s’agit d’un phénomène courant dans l’Univers, qui peut modifier le taux de formation d’étoiles. Il conduit à la fragmentation du nuage et à sa compression ultérieure et peut, finalement, initier l’effondrement gravitationnel d’un nuage moléculaire stable.

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Comment se forment les étoiles par effondrement de matière dense ?

« Au cours des deux dernières décennies, les installations laser de haute puissance ont fait progresser notre compréhension des processus physiques qui se produisent dans l’Univers, grâce au domaine relativement nouveau de l’astrophysique de laboratoire », écrivent les chercheurs de la nouvelle étude. Puisque des interactions complexes de flux se produisent, les techniques conventionnelles (simulations numériques et observations astronomiques) ne suffisent plus et la formation d’étoiles par effondrement des poches de matière dense reste mystérieuse.

Bruno Albertazzi (de l’École Polytechnique de Paris) et ses collègues ont utilisé une sphère de mousse de carbone-hydrogène d’environ 1 millimètre de diamètre pour modéliser une zone dense au sein d’un nuage moléculaire. Ils ont placé la sphère dans une chambre de gaz contenant une petite tige de carbone, et ont envoyé un laser à haute énergie sur la tige jusqu’à ce qu’elle explose. « Nous observons vraiment le début de l’interaction entre les restes de supernova et les nuages moléculaires », a déclaré dans un communiqué Albertazzi. « De cette façon, on peut voir si la densité moyenne de la mousse augmente et si la formation des étoiles démarre plus facilement ».

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Après le passage du laser imitant l’onde de choc, les chercheurs ont analysé les taches particulièrement denses de la boule en mousse. Ces points représenteraient les zones denses d’un nuage moléculaire qui pourraient ensuite s’effondrer sur elles-mêmes pour former des étoiles. Les scientifiques ont ainsi observé la formation d’une onde de compression, mais qui était plus importante lorsqu’ils ont déclenché deux explosions au lieu d’une.

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Illustration de l’évolution d’un nuage moléculaire massif : formation d’étoiles massives (à gauche), explosion de supernova (au centre) et formation de nouvelles étoiles avec la propagation des ondes de choc de l’explosion (à droite). © Albertazzi et al. 2022

« Notre nuage moléculaire primitif, où le soleil s’est formé, a probablement été déclenché par des restes de supernova »

Le déclenchement de la formation d’étoiles en laboratoire terrestre est utile à bien des égards : comprendre le taux de formation d’étoiles et l’évolution d’une galaxie, expliquer la formation des étoiles les plus massives, et même comprendre comment s’est formé notre système solaire. « Notre nuage moléculaire primitif, où le soleil s’est formé, a probablement été déclenché par des restes de supernova », a poursuivi Albertazzi. « Cette expérience ouvre une voie nouvelle et prometteuse pour l’astrophysique de laboratoire afin de comprendre tous ces points majeurs ».

Pour connaître la réelle étendue de la compression du « nuage moléculaire » et l’importance de ce processus dans l’Univers, des observations complémentaires seront nécessaires. « Ce premier article visait vraiment à démontrer les possibilités de cette nouvelle technique, ouvrant ainsi un nouveau sujet qui pourrait être étudié à l’aide de lasers de plus grande puissance », a conclu le chercheur.

Source : Matter and Radiation at Extremes

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