Objets Compacts: Naines Blanches, Supernovae, Trous Noirs

Master Astronomie et Astrophysique
Ann´ee M2 - Parcours Recherche
2008 - 2009
Module F1
Objets compacts
Philippe Grandcl´ement
Laboratoire de l’Univers et de ses TH´eories (LUTH)
(CNRS / Observatoire de Paris)
philippe.grandclemen[email protected]
Naines blanches
Supernovæ
Sursauts Gamma
Etoiles `a neutrons
Trous noirs
Ondes gravitationnelles

2

Table des mati`eres
1 Introduction 1
Introduction 1
1.1 G´en´eralit´es ................................... 1
1.2 Lacompacit´e .................................. 2
1.3 ´ Energiesmisesenjeu.............................. 3
1.3.1 Accr´etion par un objet compact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Effondrement gravitationnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Naines blanches 5
Naines blanches 5
2.1 Historique.................................... 5
2.1.1 Diagramme Herzsprung-Russel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 L’apportdeSiriusB .......................... 5
2.1.3 ´ Evolution d’une ´etoile de faible masse . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 ´ Equationd’´etat................................. 7
2.2.1 Ordresdegrandeur........................... 7
2.2.2 ImpulsiondeFermi........................... 8
2.2.3 Temp´erature de Fermi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.4 Pression de d´eg´en´erescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.5 Caslimites ............................... 11
2.2.6 Ordresdegrandeur........................... 12
2.3 MassedeChandrasekhar............................ 12
2.3.1 Argument ´energ´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2 Un mod`ele plus raffin´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Observations................................... 18
2.4.1 Classification spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2 Rayonsetmasses............................ 19
2.5 Refroidissement des naines blanches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Lesnovae .................................... 24
2.6.1 M´ecanisme................................ 24
2.6.2 Classification .............................. 27

ii TABLE DES MATI` ERES
3 Supernovae 29
Supernovae 29
3.1 Historique.................................... 29
3.2 Observations................................... 31
3.2.1 Classification spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 Courbesdelumi`ere........................... 34
3.2.3 Galaxies hˆotes et fr´equence d’apparition . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.4 Conclusion sur les observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 SupernovaedetypeIa ............................. 39
3.3.1 Le sc´enario standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Relation avec les observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.3 Contenu ´energ´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.4 Application en cosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.5 UneSNIaatypique? .......................... 43
3.4 Supernovae gravitationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.1 Structure des ´etoiles massives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.2 L’effondrement ............................. 46
3.4.3 L’ondedechoc ............................. 47
3.4.4 Comment “revigorer” le choc ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.5 Bilan´energ´etique............................ 48
3.4.6 Influence du prog´eniteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.7 Neutrinos ´emis par 1987a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 Sursauts Gamma 55
Sursauts Gamma 55
4.1 Lesmissionsspatiales.............................. 55
4.1.1 VELA .................................. 55
4.1.2 BATSE ................................. 55
4.1.3 BeppoSAX ............................... 57
4.1.4 SWIFT ................................. 57
4.2 Lesobservations................................. 59
4.2.1 Deux familles de sursauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.2 Localisation............................... 61
4.2.3 Courbes de lumi`ere et variabilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.4 Contenu ´energ´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.5 Lesspectres............................... 68
4.3 Le mod`ele de la boule de feu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.1 Des vitesses relativistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.2 Chocs internes et externes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4 Succ`es du mod`ele de la boule de feu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.1 Pr´ediction des spectres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

TABLE DES MATI` ERES iii
4.4.2 Tailledel’´ejecta............................. 75
4.5 Pr´esencedejets................................. 78
4.6 Lemoteurcentral................................ 81
5´ Etoiles `a neutrons 85
´
Etoiles `a neutrons 85
5.1 Historique.................................... 85
5.2 ´ Equationsdestructure ............................. 86
5.2.1 Lam´etrique............................... 86
5.2.2 Le tenseur ´energie-impulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2.3 Lesyst`emeTOV ............................ 87
5.2.4 ´ Equationd’´etat............................. 87
5.2.5 Int´egration du syst`eme et raccord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2.6 Grandeursglobales ........................... 89
5.2.7 Massemaximale............................. 89
5.3 Pulsars...................................... 90
5.3.1 D´ecouverte ............................... 90
5.3.2 Naturedelasource........................... 93
5.3.3 Mod`ele du dipˆole magn´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3.4 Diagramme P˙ P............................. 95
5.3.5 M´ecanisme d’´emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4 Le probl`eme de l’´equation d’´etat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5 Contraintes observationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5.1 Massemaximale.............................100
5.5.2 Influence de la rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5.3 Mesure de la compacit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.5.4 Tremblements d’´etoile `a neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.5.5 Sc´enario de formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.6 Questionsouvertes ...............................108
5.6.1 Des ´etoiles ´etranges ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.6.2 Sursauts r´ecurrents de γmous (SGR) et magn´etars . . . . . . . . . 108
6 Trous noirs 113
Trous noirs 113
6.1 Introduction...................................113
6.2 Trous noirs en relativit´e g´en´erale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.1 m´etrique de Schwarzschild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.2 Singularit´e de coordonn´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.3 La singularit´e centrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2.4 “Un trou noir n’a pas de cheveux” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2.5 La m´etrique de Kerr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116