Planètes, étoiles et trous noirs : que se passe-t-il quand ces objets entrent en collision ?

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| DANA BERRY,

Collisions de naines blanches : un résultat explosif

Les naines blanches sont des objets denses issus de l’évolution d’une étoile de masse maximum typiquement comprise entre 8 et 10 masses solaires. Elles sont peu lumineuses, mais très chaudes lors de la formation, puis se refroidissent peu à peu.

Une naine blanche se forme lorsqu’une étoile a épuisé ses réserves d’hydrogène et d’hélium ; celle-ci se contracte alors sous l’effet de la gravitation. Sa masse étant insuffisante pour enclencher la fusion du carbone, son cœur s’effondre en naine blanche.

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La collision de deux naines blanches conduit à une supernova de type Ia au cours de laquelle les deux étoiles sont pulvérisées. Crédits : NASA/ESA

La collision de deux naines blanches conduit à une supernova de type Ia, encore appelée supernova thermonucléaire. La collision rallume des réactions de fusion au sein des deux étoiles qui s’emballent et transforment rapidement la moitié de leur masse en nickel 56. Sous la pression thermique, les couches supérieures sont soufflées, et les couches dégénérées du cœur sont éjectées une à une. Au point critique, la pression devient une fonction directe de la température et les deux naines blanches sont totalement désintégrées dans l’explosion.

Collisions d’étoiles à neutrons : de l’étoile à neutrons stable au trou noir

Tout comme les naines blanches, les étoiles à neutrons peuvent exister dans des systèmes binaires. La fusion de deux étoiles à neutrons s’accompagne d’une kilonova, encore appelée « supernova à processus r ».

Lors de ce processus, un puissant rayonnement électromagnétique isotrope est émis, provenant de la désintégration des ions lourds produits par les processus r (capture de neutrons par des noyaux atomiques à haute température). Un tel événement de fusion génère également des ondes gravitationnelles, telles que celles détectées en 2017.

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Selon la masse totale résultante de la fusion de deux étoiles à neutrons, l’objet post-fusion sera différent : une étoile à neutrons stable, une étoile à neutrons s’effondrant en trou noir, ou directement un trou noir. Dans tous les cas, le processus émet des ondes gravitationnelles détectables depuis la Terre. Crédits : NSF/LIGO

Il existe globalement trois scénarios post-fusion concernant les étoiles à neutrons. Si la masse totale est inférieure à 2.5 masses solaires, l’objet résultant est une étoile à neutrons stable et plus massive. Si la masse totale est comprise entre 2.5 et 2.75 masses solaires, l’objet résultant est une étoile à neutrons en rotation rapide instable, s’effondrant quelques instants après en trou noir. Et si la masse totale est supérieure à 2.75 masses solaires, l’objet résultant est directement un trou noir.

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Collisions de trous noirs : quand la gravitation emporte la masse

Les trous noirs n’échappent pas à la règle et peuvent, eux aussi, entrer en collision est fusionner. Cependant, lors d’un tel événement, bien que l’objet résultant soit plus massif, environ 5% de la masse totale est perdue dans le processus. Par exemple, en 2015, la fusion de deux trous noirs — un de 29 masses solaires et un autre de 36 masses solaires — a été observée. Toutefois, la masse totale n’était pas de 65 masses solaires mais de 62 masses solaires.

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Lors de la fusion de deux trous noirs, le trou noir résultant est plus massif, mais environ 5% de la masse totale est dissipée sous forme d’ondes gravitationnelles. Crédits : SXS

Cette masse disparaît par dissipation de l’énergie de fusion sous forme d’ondes gravitationnelles. Ce sont ces ondulations de l’espace-temps que l’interféromètre LIGO a détecté. Ainsi, pendant un instant très bref, la fusion de deux trous noirs peut produire plus d’énergie que l’ensemble des étoiles présentes dans l’Univers observable.

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