Notions d`astrophysique

Notions d’astrophysique
Bruno Sicardy
Universit´e Pierre et Marie Curie (Paris)

Maˆıtrise, Universit´e Pierre et Marie Curie
Notes de cours
Date de mise `a jour: 12 mars 2005

Table des mati`eres
1 L’´etoffe de la mati`ere 1
1.1 L’histoire du monde en onze chapitres et demi . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Particules et m´ediateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Les interactions fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Leptons contre hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Leptons................................... 8
1.4.2 Quarks .................................. 8
1.4.3 Baryons et m´esons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.4 Saveur et interaction faible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Fermions et bosons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Effets macroscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Les limites de la connaissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7.1 Des probl`emes ouverts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7.2 L’unification des forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Les ´etoiles: la gen`ese 15
2.1 Les nuages interstellaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Effondrement d’un nuage interstellaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Masse de Jeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Rayon de Jeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
i

2.3 Temps de chute libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 La barri`ere rotationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Etoiles: la naissance 23
3.1 Etoiles, naines brunes et plan`etes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Un probl`eme de poids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Le probl`eme de l’´energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.1 Energie chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.2 Energie gravitationnelle: le temps de Kelvin-Helmholtz . . . . . . . 25
3.3.3 Energie nucl´eaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 Temp´erature interne d’une proto-´etoile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5 La masse stellaire minimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.6 La masse stellaire maximum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 Etoiles: l’ˆage adulte 33
4.1 Relation masse-luminosit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.1 Diffusion des photons dans une ´etoile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.2 Dur´ee de vie d’une ´etoile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 Fusion de l’hydrog`ene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.1 Le cycle p-p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2 Le cycle CNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5 La fournaise stellaire 39
5.1 L’effet tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2 Distribution maxwellienne des vitesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3 Taux de production nucl´eaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6 La mort des ´etoiles 47
6.1 L’´epuisement des r´eserves nucl´eaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6.2 La structure en couches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.3 G´eantes rouges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.4 Naines blanches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.5 Supernovae .................................... 49
6.5.1 La masse de Chandrashekhar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.5.2 L’explosion de la supernova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.5.3 Luminosit´e d’une supernova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.6 Etoile `a neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.6.1 Rayon................................... 53
6.6.2 Pulsar................................... 53
6.7 Trounoir ..................................... 54
A La pression de d´eg´en´erescence 55
A.1 Cas classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
A.2 Cas relativiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
B Le th´eor`eme du viriel 59
B.1 D´emonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
B.2 Validit´e ...................................... 61