Ou un trou noir?

Collisions Stellaires ou lorsque les
étoiles se rencontrent.
Pierre-Yves Blais, Avril 07
Collisions stellaires



Que se passerait-il si
une naine blanche
entrait en collision
avec le soleil?
Ou un trou noir?
Où peut-on observer
de tels événements?
Collisions stellaires


La pensée courante
qui nous dicte que les
étoiles ne rentrent
jamais en collision est
fausse;
Collisions arrivent
plus fréquemment
qu’on ne le pense dans
les amas d’étoiles et
tout spécialement
dans les amas
globulaires;
M13
Collisions stellaires


James Jeans (1877-1946)
calcula qu’aucune des 100+
milliard d’étoiles de notre
galaxie n’est jamais entrée
en collision avec une autre.
Théorie ne s’applique pas
aux endroits plus exotiques
de notre galaxie.
Collisions stellaires



Premier suspect découvert
en 1963 est le Quasar avec
luminosité=100,000 Millions
d’étoiles
Luminosité du Quasar varie
en 1 jour ce qui supposerait
une concentration de
millions d’étoiles dans un
volume égal au système
solaire, donc les collisions
d’étoiles seraient très
probable
En 1970, suspect identifié :
Trou Noir
Collisions stellaires


Satellite Uhuru (1970)
identifia 100 sources
de rayon X dont 10%
situées dans les amas
stellaires ou
globulaires.
Pourtant, les amas
consistent en
uniquement 0.01% des
étoiles de la Voie
Lactée.
Collisions stellaires




Amas globulaires
contiennent 1 Millions
d’étoiles dans rayon de
quelques douzaines d’années
lumière;
En comparaison, le voisinage
solaire contient 100 étoile
dans le même volume;
Étoiles des amas voyagent à
16,000 km/h vs 40,000 km/h
pour soleil;
Probabilité de capture ou de
collision plus élevées;
47 TUC
Mécanismes de collisions


Surface effective des étoiles rend les
collisions peu probables 
Jack G. Hills et Carol A. Day, Université du
Michigan ont démontré en 1975 que la
probabilité de collision n’est pas seulement
fonction de la surface effective des étoiles 
Évaporation
 Focalisation gravitationnelle
 Capture par effet de marée

1. Évaporation stellaire

Lors de la rencontre de 3-4 étoiles,
l’énergie est redistribuée et une étoile
est projetée en dehors de l’essaim ce
qui cause un rapprochement des
autres.
Énergie Orbitale
E+e
E
}+e
1. De l’énergie est nécessaire pour
atteindre des orbites plus élevées;
2. Une énergie plus faible implique une
énergie plus basse;
3. Une énergie plus haute implique une
orbite plus élevée;
1. Évaporation stellaire
+
Centre de gravité
Énergie totale = E
1. Évaporation stellaire
Énergie petite étoile = e
+
Énergie étoiles restante = E
-e
Énergie totale = E
1. Par effet de ‘slingshot’ gravitationnel, une étoile (la plus petite) est éjectée avec
une énergie=e après une rencontre rapprochée avec plusieurs étoiles plus
massive;
2. Principe de conservation de l’énergie exige que l’énergie des étoiles restantes
doit diminuer de la même valeur=e car Énergie totale doit demeurer constante;
3. Les étoiles restantes se rapprochent (énergie plus basse = orbites plus basse);
Évaporation
1.
Eeau - corps = Toeau sur corps
2.
Évaporation gouttes d ’eau
requiert énergie = eevap
3.
5.
E restante= Eeau-corps – eevap
E restante diminue;
Toeau sur corps diminue;
6.
On gèle…
4.
2. Focalisation gravitationnelle

L’attraction mutuelle des étoiles
augmente leur « surface effective de
collisions » en rapprochant leur
trajectoires respectives.
2. Focalisation gravitationnelle
- Probabilité de collision fonction de la dimension de
l’étoile / la distance entre les étoiles
2. Focalisation gravitationnelle
Surface
Effective.
-Focalisation gravitationnelle augmente la surface
« effective » de l’étoile en déviant la trajectoire des étoiles,
donc augmente la probabilité de collision.
3. Capture par effet de marée


Étoile à neutrons ou trou noir déforme
l’étoile passant à proximité (effet de
marée) provoquant ainsi une perte
d’énergie forçant les deux astres à entrer
en orbite.
La perte continuelle d’énergie due à
l’effet de marée va entraîner une collision
éventuelle des deux corps.
3. Capture par effet de marée
emarée
Énergie système E = Etn
+ Ee
+ emarée
Trou noir
1. Énergie totale du système = énergie du trou noir + énergie étoile
2. En passant près du trou noir, l’effet de marée déforme l’étoile ce qui rajoute au
système une énergie = emarée
3. Conservation de l’énergie exige que l’énergie totale du système demeure constante,
l’énergie de l’étoile et du trou noir doit donc diminuer proportionnellement;;
3. Capture par effet de marée
Énergie système E = Etn
+ Ee + emarée
Trou noir
1. Énergie totale du système = énergie du trou noir + énergie étoile
2. En passant près du trou noir, l’effet de marée déforme l’étoile ce qui rajoute au
système une énergie = emarée
3. Conservation de l’énergie exige que l’énergie totale du système demeure constante,
l’énergie de l’étoile et du trou noir doit donc diminuer proportionnellement;
4. Énergie diminue=vitesse diminue, l’étoile se rapproche, ce qui entraîne sa capture
par le trou noir;
5. Dû à l’effet de marée, chaque passage près du trou noir diminue la vitesse de
l’étoile, l’étoile finit par s’effondrer sur le trou noir;
Scène de l’accident
Que se passe-t-il lorsque deux étoiles
entrent en collision?
 Fonction de:

 Vitesse
relatives des étoiles;
 Paramètres d’impact (trajectoires);
 Types d’étoiles, densité etc.;
Scène de l’accident
Super géante
Géante Rouge
Séquence
principale
Trou noir
Trou noir +
disque +
naine blanche
Trou noir +
disque +
naine blanche
Trou noir
+
disque
Étoiles
neutron
Étoile neutron
ou trou noir +
disque +
naine blanche
Étoile neutron
ou trou noir +
disque +
naine blanche
Naine blanche
Naine blanche
+
Naine blanche
Naine brune
Naine brune
Naine blanche
Étoile neutron
Trou noir
+
disque
Trou noir
+
disque
Trou noir
+
disque
Étoile neutron
ou trou noir
+
disque
Étoile neutron
ou trou noir
+
disque
Étoile neutron
ou trou noir
+
disque
Étoile neutron
ou trou noir
+
disque
Naine blanche
+
Naine blanche
Naine blanche
Naine blanche
ou étoile à
neutrons
Naine blanche
ou étoile à
neutrons
Naine brune
+
naine blanche
Naine brune
+
naine blanche
Séquence
principale
Séquence
principale ou
naine brune
Séquence
principale
Séquence
principale +
naine blanche
Séquence
principale +
naine blanche
Séquence
principale
Géante rouge
Naine blanche
+
naine blanche
Naine blanche
+
naine blanche
Super Géante
Naine blanche
+
naine blanche
Trou Noir
Trou noir
Scène de l’accident
Super géante
Géante Rouge
Séquence
principale
Trou noir
Trou noir +
disque +
naine blanche
Trou noir +
disque +
naine blanche
Trou noir
+
disque
Étoiles
neutron
Étoile neutron
ou trou noir +
disque +
naine blanche
Étoile neutron
ou trou noir +
disque +
naine blanche
Naine blanche
Naine blanche
+
Naine blanche
Naine brune
Naine brune
Naine blanche
Étoile neutron
Trou noir
+
disque
Trou noir
+
disque
Trou noir
+
disque
Étoile neutron
ou trou noir
+
disque
Étoile neutron
ou trou noir
+
disque
Étoile neutron
ou trou noir
+
disque
Étoile neutron
ou trou noir
+
disque
Naine blanche
+
Naine blanche
Naine blanche
Naine blanche
ou étoile à
neutrons
Naine blanche
ou étoile à
neutrons
Naine brune
+
naine blanche
Naine brune
+
naine blanche
Séquence
principale
Séquence
principale ou
naine brune
Séquence
principale
Séquence
principale +
naine blanche
Séquence
principale +
naine blanche
Séquence
principale
Géante rouge
Naine blanche
+
naine blanche
Naine blanche
+
naine blanche
Super Géante
Naine blanche
+
naine blanche
Trou Noir
Trou noir
Scénario 1 : Collision Séquence
principale – Séquence principale






Étoile moins massive (plus dense) ressort moins affectée de
l’impact;
Onde de choc générée est insuffisante pour allumer des
réactions nucléaire et éjecter les gaz de l’étoile plus dense;
Une nouvelle étoile en rotation rapide émerge, résultante de
la fusion des deux étoiles;
Seulement une petite fraction des gaz est éjectée;
http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/research/stella
r_collisions/index.html
http://haydenplanetarium.org/resources/ava/page/index.
php?file=S0605stelcoll
Blue Stragglers (traînarde bleue)
Masse: 1 Msol
Masse: 1 Msol
Masse: ~2 Msol
Durée Vie: 10 Milliard Années
Durée Vie: 10 Milliard Années
Vie: 800 Million Années
T= 5 Milliard Années
T= 5 Milliard Années
T= 5 Milliard Années
Blue Stragglers (traînarde bleue)




Pour les trouver, on doit chercher dans des champs
d’étoiles identiques: Amas globulaires dans
lesquels les étoiles sont toutes nées à peu près en
même temps (étoiles très anciennes);
La formation de nouvelles étoiles est inexistante
depuis quelques milliards d’années étant donné
l’absence de gaz;
On doit y chercher des géantes bleues près du
centre de l’amas;
Allan Sandage trouva en 1953 des étoiles bleus au
centre d’amas globulaires;
Blue Stragglers
Blue Stragglers (traînarde bleue)
Blue Stragglers (traînarde bleue)
Blue Stragglers (traînarde bleue)
47 Tucanea - UV
Blue Stragglers (traînarde bleue)
M 15 - UV
Scénario 2 : Collision Naine blanche
– Séquence principale




Naine blanche entre en collision à environ 600 km/s.
Collision génère une onde de choc hypersonique qui
réchauffe l’étoile entière au delà de la température de
fusion;
La naine blanche de densité + élevée (10Mx soleil)
l’emporte;
Étoile consume 100M années de combustible en 1h;
L’onde de choc expulse les gaz de l’étoile à une
vitesse beaucoup plus élevée que la vitesse
d’échappement;
Scénario 2 : Collision Naine blanche
– Séquence principale



Énergie dégagée vaporise
les océans sur terre;
Étoile forme une
nébuleuse gazeuse.
Planètes ne sont plus
retenues par la gravitation
de l’étoile et s’enfoncent
dans l’espace;
Naine blanche ressort
inaffectée de la rencontre;


http://www.ukaff.ac.uk/m
ovies.shtml
Ref: UK Astrophysical
Fluids Facility.
Scénario 3 : Collision Trou Noir –
Séquence principale



Étoile est complètement détruite en approchant
trop près du trou noir;
Gaz résiduels forment un disque d’accrétion;
Exemple collision trou noir de 10 Msol et du soleil;

http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/research/stellar_c
ollisions/index.html
Scénario 4 : Collision Étoile Neutron
– Étoile Neutron




Étoiles perdent de l’énergie en émettant des ondes de
gravitation en orbitant l’une autour de l’autre;
Perte d’énergie entraîne un rapprochement des étoiles;
La vitesse de rotation approche des valeurs relativistiques
(~1/4 c);
Lors du premier contact, la coalescence se complète en
5/1000 sec;



http://www.ukaff.ac.uk/movies.shtml
http://www.astro.ex.ac.uk/people/dprice/research/nsmag/
http://www.faculty.iu-bremen.de/srosswog/movies.html
Scénario 5 : Collision Trou Noir –
Trou Noir



Trou noirs perdent de
l’énergie en émettant des
ondes de gravitation ce qui
cause leur rapprochement;
Le contact se fait à la vitesse
de la lumière. Imaginez
plusieurs millions (milliard)
de masse solaire qui se
rencontrent à ces vitesses…;
L’énergie dégagée lors de la
coalescence surpasse de loin
l’énergie dégagée par toutes
les étoiles de l’univers;
Scénario 5 : Collision Trou Noir –
Trou Noir




L’énergie dégagée est sous forme d’ondes
gravitationnelles;
Ondes peuvent être émises pendant plusieurs
semaines;
Ondes changent la dimension d’un être humain
d ’une fraction de la largeur d’un atome;
Éventuellement détectables par LIGO;
Scénario 5 : Collision Trou Noir –
Trou Noir

http://www.aip.org/png/2006/256.htm

http://chandra.harvard.edu/photo/2002/0192/ani
mations.html
Simulation 3-D réalisée sur super-ordinateur
Columbia NASA Ames Research Center
 http://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/
gwave.html

NGC
1128 – Optique
Scénario
5: Collision
Trou Noir –
Trou Noir
NGC 1128 – Rayon X
NGC 1128 – Rayon X
NGC 1128 – Radio
NGC 1128 – Radio
NGC 1128 – Rayon X, Radio
- 25,000 AL de séparation
NGC 6240 – Rayon X, Radio
- 3,000 AL de séparation
Merci!