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L’énergie dégagée par une supernova est largement plus
puissante que la bombe d’Hiroshima. Mais de combien ?
b mille milliards de milliards de fois
À notre échelle, c’est gigantesque, et pourtant… ce n’est là que
l’énergie “visible” de la supernova, c’est-à-dire l’énergie qui sert
à éjecter les couches de matière (transformée en mouvement donc
en énergie cinétique) et l’énergie qui fait briller la supernova
(l’énergie lumineuse, celle des photons émis dans l’explosion).
Paradoxalement, une supernova thermonucléaire aura une explosion
plus violente qu’une supernova à effondrement, alors qu’au final
elle déploie près de 100 fois moins d’énergie. Une supernova
thermonucléaire (de type Ia) a une énergie de 1,5 x 1044 joules.
90% de cette énergie est employé à éjecter les couches de matière
en une bulle qui va s’étendre à grande vitesse. Près de 10% est transformé
en neutrinos, et à peine 1% est transformé en lumière.
Ce qui la fera quand même briller plus que la galaxie toute entière
pendant quelques temps. Une supernova à effondrement est 100 fois
plus énergétique, mais 99% de l’énergie va être utilisé par la création
des neutrinos lors de la réaction qui fusionne les protons et électrons
en neutrons. 1% sera utilisé pour donner de la vitesse aux couches éjectées,
et 0,01% à faire briller la supernova. En valeur donc, même si une supernova
de type Ia est moins énergétique, elle éjectera ses couches de matière à plus
haute vitesse et elle brillera plus fort.
La plus grande accélération connue dans l’Univers, c’est :
b la phase d’inflation
C’est en pleine actualité ! On vient de découvrir la preuve qu’il y a bien
eu une phase d’inflation au tout début de l’Univers. Cette phase a
débuté un milliardième de milliardième de milliardième de milliardième
de seconde (10-36 s) et dura un millionième de milliardième de milliardième
de milliardième de seconde (10-32 s).
Pendant cette période, la taille de l’univers a été multipliée par 100 millions
de milliards de milliards (1026 fois). C’est l’accélération la plus puissante
que l’on connaisse actuellement. Des chiffres impressionnants que l’on a
du mal à s’imaginer.
Accélération et moteurs à explosion : qu’est-ce qui va
le plus vite ?
c une voiture
Lorsque l’on éternue, on éjecte les poussières irritantes à plus de
160 km/h. Le record d’une balle de tennis au service, au moment où
l’on vient de la frapper avec le cordage de la raquette, est de 263 km/h.
C’est ce qu’on appelle un service “explosif” ! C’est beaucoup plus que
les vitesses autorisées sur la route, mais une formule 1 peut dépasser
les 300 km/h. Le record de vitesse d’un engin sur roues est encore
bien plus haut à 1227 km/h, soit plus que la vitesse du son !
Lequel de ces éléments chimiques ne peut être produit
que par les supernovæ ?
a l’argent
Les étoiles sont des usines à fabriquer des éléments chimiques de plus en
plus gros, jusqu’au Fer. On reconnait un élément chimique au nombre de
protons qu’il y a dans le noyau de son atome. C’est son numéro atomique.
Ainsi, au cœur des plus grosses étoiles, les protons s’assemblent par fusion
nucléaire, et il se formera des éléments jusqu’au numéro atomique 26
(numéro atomique du Fer). C’est le cas du Silicium (numéro atomique 14)
et Sodium (11). Les éléments plus lourds ont besoin de beaucoup
plus d’énergie pour se former et ils ne peuvent être synthétisés que lors
des supernovae, c’est le cas de l’Argent (47). D’autres éléments, comme l’or
réclament encore plus d’énergie : celle des hypernovæ.
Si certaines supernovae résultent de la collision de naines blanches,
les hypernovæ sont encore bien plus violentes : elles fusionnent deux étoiles
à neutrons ou deux trous noirs.
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QUiZZ
eXo ejeCto
Par combien un grain de maïs multiplie-t-il son volume
en se transformant en pop-corn ?
a 10 fois
Comment fait-on du pop-corn ? En fait, un grain de maïs est composé
d’amidon et d’eau. Lorsqu’on le chauffe, les grains d’amidon s’agglutinent et
forment une coque, emprisonnant l’eau. Avec la température, cette eau se
transforme en vapeur, et la pression de cette vapeur augmente de plus en
plus, jusqu’à ce que la coque d’amidon cède. La coque est alors littéralement
retournée comme une chaussette, laissant apparaître l’amidon blanc.
Lequel de ces astres n’est pas produit par une supernova ?
b une naine blanche
Une naine blanche est produite par l’explosion d’une étoile à peu près de
la masse du Soleil. Elle est composée de manière très dense, mais l’explosion
d’une telle étoile n’est pas aussi forte qu’une supernova, qui peut produire
une étoile à neutron (encore plus dense !) ou un trou noir. Un pulsar est
une forme d’étoile à neutron.
Un astéroïde s’écrase sur Mars. Que se passe-t-il si la vitesse
d’éjection est plus grande que la “vitesse de libération” ?
b des météorites sont envoyés dans l’espace
La vitesse de libération, c’est la vitesse qu’un objet doit atteindre pour
se libérer de l’attraction d’une planète. C’est par exemple la vitesse qu’il faut
donner à une fusée pour qu’elle quitte la Terre sans retomber sur le sol.
Dans le cas de la Terre, cette vitesse est de 11,2 km/s, pour Mars elle est de
seulement 5 km/s. Or, un astéroïde arrive sur la planète avec une vitesse
de l’ordre de 20 km/s. Si sa trajectoire est suffisamment rasante, et si le choc
n’est pas trop amorti lors de l’impact, les éjectas peuvent repartir avec
une vitesse supérieure à la vitesse de libération. Dans ce cas, ils partent
dans l’espace, cheminent dans le système solaire, et, pourquoi pas,
peuvent retomber sur Terre. C’est déjà arrivé ! On a retrouvé sur terre,
quelques météorites qui venaient sans aucun doute du sol de Mars.
Une explosion, c’est :
b la transformation violente d’un objet en un autre de volume
plus grand
C’est dans la définition, il y a cette notion de changement de volume.
Une explosion s’accompagne en général d’une projection de gaz
à haute température. Une supernova entre bien dans ce cas, avec l’éjection
d’une bulle de matière.
Lors d’une explosion, quand l’onde de choc va plus vite que
le son, on parle de :
c détonation
La différence entre une détonation et une déflagration est la vitesse de l’onde
de choc. Elle est inférieure à la vitesse du son dans le cas d’une déflagration
et supérieure pour une détonation. L’onde de choc est l’endroit où les gaz
sont chauffés et comprimés, et donc l’endroit où ils entrent en combustion.
Ainsi, l’explosion, et la combustion qui l’accompagne, se propagent beaucoup
plus vite dans le cas d’une détonation.
Étonnant et détonnant ! Par rapport aux étoiles qui soufflent
le plus fort vent stellaire, une supernova éjecte sa matière :
a 3 fois plus vite
Oui ! Seulement ! Les étoiles qui ont le souffle le plus rapide, les étoiles
de Wolf-Rayet, éjectent un vent stellaire de 2000 km/s. Une supernova éjecte
une bulle de matière d’une vitesse de 5000 à 20000 km/s. Soit entre 2,5
et 10 fois plus vite. Pour la supernova de 1054, par exemple, qui a donné
la Nébuleuse du Crabe M1, on mesure une expansion de la coquille de gaz
de l’ordre de 6,3 km/s. Ce n’est que 3 fois plus environ que le souffle
d’une étoile de Wolf-Rayet. Ces étoiles sont d’ailleurs tellement grosses que,
si elles n’éjectaient pas toute cette matière (elles éjectent un milliard de fois
plus de matière que le Soleil, et perdent l’équivalent de la masse du Soleil
en seulement 100000 ans), elles s’effondreraient sous leur propre poids.
Voilà un régime amaigrissant qui leur est salutaire.
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Ajoutons des rebonds !
Prenons une 3eballe. Elle tombe avec une vitesse -V alors la seconde balle rebondit avec une vitesse 3V.
La différence entre les deux est de 4V. La 3eballe va donc rebondir à une vitesse de 4V (différence entre
les deux) +3V (vitesse de la 2eballe), donc 7V. On peut montrer de même que la 4eballe aura une
vitesse de (7V + V) +7V (différence entre les deux balles +vitesse de la première balle) soit 15 V.
Pour un lâcher d’une hauteur de 25 m on atteindrait alors la hauteur de 225 m… pas mal !
Prenons maintenant la neballe. Sa vitesse Vns’exprime en fonction de la vitesse de la balle
précédente Vn-1
Différence de vitesse entre les deux : Vn-1 – (-V) (la balle n descend avec une vitesse V)
La vitesse Vnest alors la somme de cette différence et de la vitesse de Vn-1
Donc : Vn=(Vn-1 +V) +Vn-1
C’est-à-dire : Vn=2Vn-1 +V
On peut exprimer de même Vn-1 ce qui nous donne : Vn=2(2 Vn-2 +V) +V
Continuons : Vn=2(2(2Vn-3 +V) +V) +V
On développe : Vn=2x2x2x … xV+V+2V +2x2V +2x2x2 V +2x… (n-1 fois) V
Vn=2nV+V+2V +22V+23V+…+2n-1V
D’où : Vn=V+2V +22V+23V+…+2n-1V+2nV
En langage mathématiques, cette somme est en fait la somme des n premiers termes d’une suite
géométrique de raison 2 et de premier terme V. Elle se calcule avec la propriété suivante :
Vn=Vx(2n-1)/(2-1)
Soit Vn=(2n-1)V
À la dixième balle, on peut ainsi calculer que la vitesse est multipliée par 1000 ! (210 =1024).
Dernière question : pour atteindre la vitesse de 5000 km/s en partant de 5 m/s, il faut multiplier
la vitesse par 1000000. Or 1000 000 c’est 1000 x1000. Avec 10 balles on multiplie la vitesse par 1000.
Donc il nous faudra 20 balles pour atteindre la vitesse d’une supernova. Ça parait peu, mais dans
la réalité, il est très difficile d’avoir des chocs élastiques sans perte. De plus, il faudrait que chaque
nouvelle balle ait une masse négligeable par rapport à la précédente. Il faudrait donc que la masse
de la première balle soit énorme.
Les Xp de Cossie
Une idée pour calculer la perte d’énergie dans les rebonds ?
Dans l’exercice Exo Ejecto, on peut s’amuser à calculer la hauteur de rebond d’une 3e, 4eballe ou plus,
empilées sur la grosse balle.
Ici on peut même calculer la perte d’énergie : Cossie lâche les balles à une hauteur de 1 m, la petite
rebondit à environ 2,5 m au lieu de 9 m. On perd donc à peu près 75% d’énergie dans les rebonds.
Alors maintenant il faut tout essayer, des rebonds plus efficaces, comme par exemple avec un ballon
de basket et une petite balle compact élastique, de celles qui rebondissent bien. Et pourquoi ne
pas empiler plusieurs balles ? Tout est possible, laisse travailler ton imagination et amuse-toi !
Des astuces pour faciliter la manip ?
Il n’est pas facile de faire tomber les balles bien à la verticale et que le rebond soit bien vertical lui aussi.
Pour faciliter la manip, Cossie s’est servi d’un joint de robinet (en forme d’anneau, fin et très léger)
comme support placé entre la balle de tennis et la balle de ping-pong. On peut aussi prendre une balle
de basket comme plus grosse balle. La courbure étant moins grande, l’angle du rebond aura plus
de chance d’être proche de la verticale.
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