supernova type II.pps

Supernovas de Type II,
Physique Nucléaire et
mécanique quantique
Pierre-Yves Blais, Jan 07
Types de Supernovas

Type I

Les supernovas de type Ia n'ont pas d’hydrogène
présent dans leur spectres. On pense
généralement qu'elles sont causées par
l'explosion d'une naine blanche approchant ou
ayant atteint la limite de Chandrasekhar
(~1.4Mo) par accrétion de matière provenant
d’une étoile voisine.
Type Ia
Types de Supernovas

Type II

Les supernovas de type II ont de l’hydrogène
présent dans leur spectres. Elles sont causées
lorsque les réactions nucléaires cessent dans le
cœur d’étoiles massives (>8Mo) et entraînent
l’implosion du coeur de l’étoile.
Évolution vers Type II
Étoile de 25 masses solaire
 To = 60 millions oC vs
To soleil = 15 millions oC
 Densité = 50,000 kg/m3
 Cycle H – » He
 Tsn – 7.5 millions d’années
vs 10 milliard d’années
pour Soleil

Évolution vers Type II
Étoile de 25 masses solaire
 To = 60 millions oC vs
To soleil = 15 millions oC
 Densité = 50,000 kg/m3
 Cycle H – » He
 Tsn – 7.5 millions d’années
vs 10 milliard d’années
pour Soleil

Coeur (~20% du rayon)
Couches supérieures
Évolution vers Type II
Étoile de 25 masses solaire
 To = 60 millions oC vs
To soleil = 15 millions oC
 Densité = 50,000 kg/m3
 Cycle H – » He
 Tsn – 7.5 millions d’années
vs 10 milliard d’années
pour Soleil

Cycle de l’hydrogène
Chaîne PP (proton – proton)
1H + 1H → 2H + e+ + νe + 0.42 MeV
e+ + e- → 2γ + 1.02 MeV
Chaîne PP I : 86% énergie du soleil
To =10 à 14 Millions oC
2H
+ 1H → 3He + γ + 5.49 MeV
3He
+ 3He → 4He + 1H + 1H + 12.86
MeV
Cycle de l’hydrogène
Chaîne PP (proton – proton)
1H + 1H → 2H + e+ + νe + 0.42 MeV
e+ + e- → 2γ + 1.02 MeV
Chaîne PP I : 86% énergie du soleil
To =10 à 14 Millions oC
2H
+ 1H → 3He + γ + 5.49 MeV
3He
+ 3He → 4He + 1H + 1H + 12.86
MeV
+
+
+
Cycle de l’hydrogène
Chaîne PP (proton – proton)
1H + 1H → 2H + e+ + νe + 0.42 MeV
e+ + e- → 2γ + 1.02 MeV
Chaîne PP I : 86% énergie du soleil
To =10 à 14 Millions oC
2H
+ 1H → 3He + γ + 5.49 MeV
3He
+ 3He → 4He + 1H + 1H + 12.86
MeV
+
+
+
+
+
+ +
Cycle de l’hydrogène
Chaîne PP (proton – proton)
1H + 1H → 2H + e+ + νe + 0.42 MeV
e+ + e- → 2γ + 1.02 MeV
Chaîne PP I : 86% énergie du soleil
To =10 à 14 Millions oC
2H
+
+
+
+
+
+ +
+ 1H → 3He + γ + 5.49 MeV
3He
+ 3He → 4He + 1H + 1H + 12.86
MeV
+
+
+
+
+
+ +
+
Cycle de l’hydrogène
Chaîne PP II : 14% énergie du
soleil
To = 14 à 23 Millions oC
3He
+ 4He → 7Be + γ
7Be + e-→7Li + νe
7Li + 1H → 4He + 4He
Cycle de l’hydrogène
Chaîne PP III – (0.11% énergie
du soleil)
To >23 Millions oC
3He
+ 4He →7Be + γ
7Be + 1H →8B + γ
8B → 8Be + e+ + νe
8Be↔4He + 4He
Expérience à tenter à la maison
+
100g H
=
+ 100g H = 198.57g He
Masse manquante = 1.43 g
E=mc2
E = 1.3x1016 Joules
E = ~30 kilo-tonnes de TNT
Hiroshima = ~12-15 kilo-tonnes
Soleil "désintègre" 4 millions de tonnes d’hydrogène par seconde !!
Ou 6,000,000,000,000 Hiroshima chaque seconde…
Hydrogène du cœur est consumé




Les réaction H → He dans le cœur
diminuent, les couches extérieures se
contractent et entraînent le
réchauffement du cœur
To grimpe à 230 millions oC
Fusion Hélium – Carbone débute
Fusion de l’hydrogène dans les
couches entourant le coeur entraîne le
réchauffement et la dilation des
couches d’hydrogène supérieures
Évolution vers
Super Géante rouge
Bételgeuse vue par
Hubble
Évolution vers
Super Géante rouge
Soleil
Super géante VV Cephei B
- 1600-1900 diamètre soleil
Super Géante Rouge: Bételgeuse




Images de la surface de Bételgeuse prises par Hubble
M = 15 Mo (masses solaires)
500-800 diamètres solaire
Tsn – 1000 à 10,000 ans
700 nm
905 nm
1250 nm
(Rouge)
(infrarouge très proche)
(infra rouge proche)
Cycle du carbone & oxygène
To = 230 Million oC
 Densité = 700,000 kg/m3
 Tsn – 500,000 ans
 Fusion Hélium - Carbone
4He + 4He ↔ 8Be + photon
8Be + 4He ↔ 12C + γ + 7.367 MeV

Fusion Carbone - Oxygène
12C + 4He → 16O + γ

Fusion du carbone




To = 930 Million oC
Densité = 200,000,000 kg/m3
Tsn – 600 ans
Fusion Carbone
12C + 12C → p + 23Na
12C + 12C → 4α + 20Ne
12C
+ 12C → n + 23Mg
Fusion du Néon




To = 1.7 Milliard oC
Densité = 4,000,000,000 kg/m3
Tsn – 1 an
Fusion Néon
20Ne + γ → 4α + 16O
20Ne + 4α → γ + 24Mg
Fusion de l’oxygène





To = 2.3 Milliard oC
Densité = 10,000,000,000 kg/m3
Tsn – 6 mois
Fusion Oxygène
16O + 16O → p + 31P
16O + 16O → α + 28Si
16O + 16O → n + 31Si
Apparition chlore, argon,
potassium, calcium, titane,
etc.
Fusion du silicium




To = 4.1 Milliard oC
Densité = 30,000,000,000 kg/m3
Tsn – 1 jour
Fusion Silicium
28Si + p + α + n → 34Fe
Fusion du silicium






To = 4.1 Milliard oC
Densité = 30,000,000,000 kg/m3
Tsn – 1 jour
Fusion Silicium
28Si + p + α + n → 34Fe
Fusion du fer en éléments plus
lourd (ex: Au, Pb, etc)
est endothermique = le fer
absorbe de l’énergie pour fusionner
Arrêt fusion dans le coeur
État final de l’étoile
• 50% de la masse de l’étoile est concentrée dans le coeur
Arrêt des réactions dans le coeur




Écrasement du cœur par
couches externes
To : 4.1 → 7.1 Milliard oC
en 1 journée
Cœur de fer dégénéré empêche
l’écrasement du cœur
Fer dégénéré?
Physique Quantique


Lois de la physique qui gouvernent le comportement
des particules élémentaires (électron, proton, neutron,
photons, quarks, etc…)
 Louis de Broglie 1892-1987
 Nobel de physique 1929 – ‘Recherches sur
la Théorie des Quanta’
 Théorie sur la nature ondulatoire des
particules
Une particule (ex: électron) est a la fois une particule et
une onde
Électron est onde et particule
λ = hc/E
λ : Longueur d’onde
c : vitesse de la lumière
h : constante de Planck
E : énergie de la particule
E = mc2 + Ek
λ = h/mc
λ
Électron: onde et particule
λ Électron: 2.4 x 10e-12 m
λ Proton: 1.3 x 10e-15m
Rayon électron: 10e-18 m
Rayon proton: 0.8 x 10e-15m
Dimension relative des électrons vs
protons
Électron:
Rayon électron: ~10e-18 m
Proton:
Rayon proton: 0.8 x 10e-15 m
~1 : 1000
λ = 2.4 x 10e-12 m
λ = 1.3 x 10e-15 m
~1000 : 1
Principe d’exclusion
 Waulfgang
Pauli, 1900-1958
 Nobel de physique 1945 – ‘Principe
d’exclusion’ : Deux particules ne peuvent
pas se trouver au même endroit dans le
même état quantique…
 Deux particules identiques ne peuvent occuper le
même espace de dimension égal à leur longueur
d’onde
Pression électronique de
dégénérescence
Électrons
Pression de
dégénérescence
Électron
Matière dégénérée
Atomes Fer : Pour chaque atome de fer, il existe
26 électrons
Matière dégénérée
Matière dégénérée
Matière dégénérée
Matière dégénérée




Matière dégénérée (Constituant des naines blanches) – »
Pression de dégénérescence stoppe l’écrasement du
coeur
Densité naine blanche 1 Mo (carbone & oxygène
dégénéré): 1,000,000,000,000 kg/m3
Densité cœur étoile 25 Mo avant écrasement cœur (fer
dégénéré) : 3,600,000,000,000,000 kg/m3
~10 Masses solaire dans un rayon de 200 km
Écrasement coeur
To = 7.1 milliard oC
Fusion électron + proton : e - + p+ ↔ no + νe
Écrasement coeur
To = 7.1 milliard oC
Fusion électron + proton : e - + p+ ↔ no + νe
Écrasement coeur
Fusion électron + proton : e - + p+ ↔ no + νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
Neutrons
Neutrons
νe
νe
Neutrino – 99% énergie
de la supernova
Écrasement coeur
Étoile à neutrons
Neutrons dégénérés
Écrasement coeur




To = 7.1 Milliard oC
Fusion Proton - Électron
e - + p+ ↔ no + νe
Diamètre coeur passe de
6400km (1/2 rayon diamètre terre ) à
100 km en 1/10sec et à 20 km en 1
sec
Densité passe de
3,600,000,000,000,000 kg/m3
à
2,000,000,000,000,000,000 kg/m3

Ou simplement
2000 Milliards de tonnes/cm3
Supernova




To = 7.1 Milliard oC
Fusion Proton - Électron
e - + p+ ↔ no + νe
Diamètre coeur passe de
6400km (1/2 rayon diamètre terre ) à
100 km en 1/10sec et à 20 km en 1
sec
Densité passe de
3,600,000,000,000,000 kg/m3
à
2,000,000,000,000,000,000 kg/m3

Ou simplement
2000 Milliards de tonnes/cm3
Mécanisme de l’explosion
Supernova SN1987A
Mécanismes de l’explosion






A) Couches de l’étoile
B) Écrasement du cœur (flèches blanches) et des couches
supérieures (flèches noires)
C) Formation étoile à neutrons
D) Couches supérieures de l’étoile rebondissent sur l’étoile à
neutron et engendrent une onde de choc (rouge) qui se propage
vers l’extérieur à environ 15,000 km/s
E) Onde de choc perds de l’énergie dans les couches supérieures
(Éléments plus lourds et isotopes sont crées par absorption de
neutron) mais est re-énergisée par le flux massif de neutrinos
provenant du cœur.
F) Onde choc atteint les couches supérieures en quelques heures
qui sont éjectées laissant derrière le cœur (étoile à neutrons).
Supernova




Énergie dégagée : 10e28 ou
10,000,000,000,000,000,000,000,000,000 mégatonnes
Équivalent de 0.15 Mo (E=mc2) convertie en énergie
 99% énergie dégagée sous forme de neutrinos: νe
 1% sous forme d’énergie cinétique dans gaz (onde de choc)
 1/1000 sous forme lumière
Éléments plus lourds (U, Pb, Au, etc.) sont crées par absorption
de neutron au moment de l’explosion
Luminosité résiduelle suivant l’explosion provient de la
désintégration des isotopes (Cobalt, Nickel) crées lors de
l’explosion par le flux de neutrons.
Tableau périodique des éléments
Mendeleev
1834 - 1907
Russie
Après l’explosion…
L'évolution de l'étoile dépend alors de la masse restante du noyau de
fer qui a implosé.
 Si cette masse est inférieure à MCh, appelée aussi limite de
Chandrasekhar et qui vaut environ 1,44 fois la masse solaire, le
reste de l'étoile finit en naine blanche.
 Si cette masse est supérieure à 1.44 et inférieure à
approximativement 3 masses solaires, le reste de l'étoile finit en
étoile à neutrons
 Si, enfin, cette masse est supérieure à 3, la pression de
dégénérescence des neutrons ne peut vaincre la gravité, le reste de
l'étoile continue de s’effondrer et forme un trou noir.
Après l’explosion…
Étoile à neutron
3 Mo > M > 1.44 Mo
M : Masse résiduelle
Trou noir
M > 3 Mo
Supernova SN1987A
SN1987A:
•Nébuleuse Tarentule
•Nuage Magellan
•23 Février 1987
•Magnitude 3
Supernova SN1987A
•Onde de choc heurtant les couches éjectées lors de
la phase de dilatation il y a 20,000 ans
M1
Étoile à Neutrons
Disque d’accrétion
Jets
Image combinée lumière visible et rayon X
SN1604 – Supernova Kepler
SN1994D
Type 1a :
SN1994D dans NGC4526
SN1572 – Supernova Tycho
Type 1a
N132D
• Grand nuage de Magellan 160,000 AL
• Explosion il y a 3000 ans
Cassiopée A
• Cassiopée 10,000 AL
• Explosion en 1600
Nébuleuse Guitar
• Étoile à neutron B2224+65 filant à 1600 km/s
résultant d’une explosion asymétrique du coeur
Évolution Stellaire
Évolution au cours du temps d'une étoile massive de 25 MS
Résidus
Durée
Température
Densité en kg/m3
Hélium
7 x 106 années
60 x 106 K
50 x 103
Carbone ; Oxygène
500 000 années
230 x 106 K
700 x 103
Oxygène ; Néon ;
Sodium ;
Magnésium
600 ans
930 x 106 K
200 x 106
Oxygène ;
Magnésium
1 an
1,7 x 109 K
4 x 109
Oxygène
du Magnésium au
Soufre
6 mois
2,3 x 109 K
10 x 109
Silicium
Fer et éléments
proches
1 jour
4,1 x 109 K
3 x 1010
Étoile Neutron/Trou
Noir
1 sec
>7.1 x 109 K
>3.6 x 1015
Combustible
Hydrogène
Hélium
Carbone
Néon
Fer
Évolution Stellaire
Masse de l'étoile
(en masses solaires, Mo)
30 Mo
10 Mo
3 Mo
1 Mo
0,3 Mo
Luminosité pendant la
séquence principale (Soleil=1)
10 000
1 000
100
1
0,004
0,06
0,10
0,30
10
800
fer
silicium
oxygène
carbone
hélium
supernova
supernova
nébuleuse
planétaire
vent stellaire
vent stellaire
24 Mo
8,5 Mo
2,2 Mo
0,3 Mo
0,01 Mo
Nature du noyau résiduel
trou noir
étoile à
neutrons
naine
blanche
naine
blanche
naine
blanche
Masse du cadavre stellaire
6 Mo
1,5 Mo
0,8 Mo
0,7 Mo
0,3 Mo
densité (eau=1)
5×1014
3×1015
2×107
107
106
17861,44 m
6192,21 m
2,67×106 m
3,22×106 m
5,22×106
2,5×1012
5,19×1012
1,49×107
8,99×106
1,46×106
Vie sur séquence principale
(en milliards d'années)
Les réactions nucléaires
s'arrêtent aux noyaux de
Phénomène terminal
Masse éjectée
Rayon (en m)
Gravité (en m.s-2 )
Merci!
Bonsoir et merci à notre ancêtre! 