LE CYCLE DE VIE DES ÉTOILES DANS NOTRE GALAXIE

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LE CYCLE DE VIE DES ÉTOILES
DANS NOTRE GALAXIE
Alexandre Marcowith
Laboratoire Univers et Particules de Montpellier
PLAN DU SÉMINAIRE
1. 
Introduction à l’Astrophysique galactique
• 
2. 
Les échelles d’âge, de distance …
Les ingrédients d’une bonne recette …
• 
Le gaz et la poussière
• 
La lumière
• 
Le champ magnétique
• 
Le rayonnement cosmique
3. 
Une vue d’ensemble de notre galaxie
4. 
Les étoiles: naissance – le milieu interstellaire
5. 
Les étoiles: vie.
6. 
Les étoiles: mort.
7. 
Les premières étoiles.
8. 
Les étoiles et la vie.
9. 
… Bonne digestion …
SÉMINAIRE: CYCLE DE VIE DES ÉTOILES...
partie I
assez simple
petite pause
partie II
+ technique
2
1. LES ÉCHELLES
•  Les distances
•  Les âges
•  Les vitesses
3
POINT TECHNIQUE 1.
LE LOGARITHME OU LES PUISSANCES DE 10
• 
Puissances de 10:
10n résultat de la multiplication n fois par 10.
exemple 103 vaut 10x10x10 soit 1000 ou 1 suivi de 3 zéros.
106=1 000000 = million, 109 = 1 000 000 000 = milliard
1042 est un chiffre construit comme 1 suivi de 42 zéros = 1 million de milliards de milliards de milliards
de milliards.
On a 100=1.
• 
Logarithme de 10:
Log10 est la fonction réciproque de 10n.
c’est à dire Log10(10n) = n.
exemple 0=Log10(1), 1=log10(10) …3=log10(103) … 42=log10(1042).
on voit que log10 (x) est croissante: augmente quand x augmente
4
ECHELLE LOGARITHMIQUE
0
1cm
10cm
1010cm =>
x
log10(x)
0
1
10
5
REMARQUE
•  On peut calculer aussi des puissances de nombres réels.
exemple: 103.5=3162.27766…
•  On peut calculer des logarithmes décimaux de nombres réels
(strictement positifs).
exemple log10(3.5)=0.544068044…
6
REMARQUE
•  On peut calculer aussi des puissances de nombres réels.
exemple: 103.5=3162.27766…
•  On peut calculer des logarithmes décimaux de nombres réels
(strictement positifs)
exemple log10(3.5)=0.544068044…
interro surprise: Pourquoi log10(3.5) est –il inférieur à 1 ?
7
REMARQUE
•  On peut calculer des puissances de dix de nombres réels négatifs.
exemple 10-3.5=0.00031622766 = 1/103.5
•  Les logarithmes décimaux de nombres réels entre 0 et 1 donnent
d’autres nombres réels négatifs.
exemple log10(0.00031622766)=-3.5
8
REMARQUE
Le logarithme sonde le monde microscopique
qui se trouve entre 0 et 1
infini
infini
9
Log10(D)
vitesse de la lumière = 299 790 km par seconde (km/s)
0
Terre-Lune
384 400 km (moyenne)
1.28 seconde-lumière
10
Log10(D)
2.6
Terre-Soleil
149 597 870 millions de km soit une unité astronomique (UA)
8.32 minutes-lumière
11
Log10(D)
4.1
Soleil-limite du système solaire: orbite de Neptune soit 30.10 UA ou
environ 4.5 millards de km
12
LES SONDES VOYAGER I & II – PIONEER X & XI
voyager I
11
10
plaque sur pioneer X
limite de l’héliosphère:
environ 120 UA soit 18
milliards de km…
13
Log10(D)
•  une année-lumière = 9418.2 milliards de km = 62956.6 UA
•  en astronomie on utilise le parsec (pc, parallaxe-seconde) =
3.26 a-l = la distance à laquelle 1 UA vue sous un angle
d’un seconde d’arc (1 seconde d’arc = 1/3600 degré).
8.0
Soleil-proxima du
centaure : 4.22 a.l =
1.29 pc
14
Log10(D)
11.8
Soleil-Centre de notre Galaxie
environ 7500 parsecs ou 24450 a-l
image radio du centre de la galaxie
15
SAGITTARUS A*: LE TROU NOIR AU CENTRE DE
LA VOIE LACTÉE
Masse du trou noir = 3.6 millions de masses16solaires
Image ESO
NAOS-CONICA
(NACO)
17
Log10(D)
12.3
Diamètre de notre Galaxie = 100 000 a-l
18
A QUOI DOIT RESSEMBLER NOTRE GALAXIE VUE
DE L’EXTERIEUR
19
Log10(D)
12.6
Notre Galaxie-nuages de Magellan:
180 000 a-l : galaxies les plus proches.
20
Log10(D)
14.3
Taille amas local: la
proche banlieue de la voie
lactée = 10 millions a-l
21
Log10(D)
3C 273
16.3
Le premier Quasar : 780
millions a-l
3C273 = 2.45 milliards a-l
22
Log10(D)
simulation numérique: taille 150 millions km
17.5
Taille de l’univers
observable= 13.7
milliards a-l
23
1. LES ÉCHELLES
•  Les âges
•  Les vitesses
24
PETIT MÉMO
•  Terre = 4.54 milliards d’années soit 56 millions de fois la durée de vie
humaine moyenne (80 ans ou 29200 jours)
•  Soleil = 4.57 milliards d’années
•  Notre Galaxie = 13 milliards d’années
•  L’âge de l’univers = 13.7 milliards d’années.
25
1. LES ÉCHELLES
•  Les âges
•  Les vitesses
26
DE LA TERRE AUTOUR DU SOLEIL ET DU SOLEIL
DANS NOTRE GALAXIE
•  Terre/Soleil = 30 km/s soit 1/10000 de la vitesse de la lumière soit
108 000 km/h
•  Soleil/Galaxie = 220 km/s soit 792 000 km/h. Le soleil fait un tour
de la Galaxie en 230 millions d’années donc depuis sa naissance il en
a fait environ 20 fois le tour …
•  l’engin humain le plus rapide à ce jour: sonde hélios-2 (nasa) se
déplaçait à 70 km/s: il lui faudrait 18 000 ans environ pour attendre
proxima du centaure.
27
DE NOTRE GALAXIE DANS L’AMAS LOCAL
•  La voie lactée se déplace vers la Galaxie d’Andromède à 90 km/s ou
324 000 km/h.
•  et l’amas local se déplace vers l’amas de la vierge à 600 km/s soit
2.16 millions km/h.
•  L’ensemble se déplace vers le grand attracteur ….
à 370 km/s
28
2. LES COMPOSANTES DE NOTRE GALAXIE
•  La lumière
•  Le gaz, les poussières & les molécules
•  Le champ magnétique
•  Le rayonnement cosmique
29
LA LUMIÈRE
longueur d’onde = distance entre deux crêtes de vague
•  Ondes électro-magnétiques (champ électrique et magnétique qui
oscillent dans le temps, voir plus loin).
•  Ensemble de particules: les photons.
30
LA LUMIÈRE : SPECTRE EN FRÉQUENCE
fréquence= nombre de vagues/seconde vues en un point fixe.
exemple une vague/seconde = 1 Herz
31
LA LUMIÈRE ET LA NOTION DE TEMPÉRATURE
32
•  La lumière
33
COMPOSITION DE NOTRE GALAXIE
•  L’univers est composé de
•  89% d’hydrogène
•  10% d’hélium
•  1% du reste …
34
POINT TECHNIQUE 2.
•  atome d’hydrogène
•  l’électron de charge négative, masse = 9.1 x 10-28 g, rayon inférieur à 10-22 m.
•  le proton est de charge positive, masse = 1.7 x 10-24 g, rayon de charge = 8.1 x 10-16 m.
•  Il existe aussi le neutron de charge nulle, masse = 1.0014 celle du proton.
35
COMPORTEMENT QUANTIQUE
en chaque point l’électron a
une probailité de présence
donnée et finie (de même
pour le noyau …)
onde-particule
36
LES MOLÉCULES
•  Association de deux ou plusieurs atomes par liaisons chimiques, une
mise en commun des électrons.
•  La molécule la plus abondante dans l’univers et dans le milieu
interstellaire est H2
Mais le milieu interstellaire abrite des molécules beaucoup plus complexes …
37
LES MOLÉCULES
DU MILIEU
INTERSTELLAIRE
38
ACIDES AMINÉS
Green Bank telescopes
+ mission stardust
= glycine dans la comète
Wild-2
formation sur les glaces
39
LES POUSSIÈRES
•  1% en masse du milieu interstellaire.
•  Agrégats d’atomes de taille du milliardième de mètre (nanomètre).
•  Carbone + (Oxygène, Azote, Silicium, Aluminium, Soufre …)
•  Absorbent la lumière des étoiles et la réémet dans l’infra-rouge.
•  Contribuent au chauffage.
exemple de chondrite
40
•  La lumière
41
POINT TECHNIQUE 3.
C’EST QUOI LE CHAMP MAGNÉTIQUE ?
•  C’est un champ, une grandeur physique qui caractérise un type d’interaction.
exemple: l’interaction électromagnétique (exemple l’attraction d’une charge + et
d’une charge -).
Nous connaissons 4 types d’intéraction fondamentales.
•  Magnétique: lié à l’existence de charges électriques en mouvement.
image d’un champ
magnétique produit par
un aimant
42
A QUOI SERT LE CHAMP MAGNÉTIQUE ?
•  Il sert à confiner la matière chargée, par exemple les atomes qui ont
perdu leurs électrons (les ions), ou bien les électrons libres.
charge
ligne de
champ
magnétique
43
•  La lumière
44
POINT TECHNIQUE 4.
QU’EST CE LE RAYONNEMENT COSMIQUE ?
•  Particules corpusculaires chargées, par exemple des protons.
•  Avec des energies élevées
•  Avec une vitesse qui est proche de celle de la lumière.
Cascade de particules produites
par un rayon cosmique de haute énergie
dans l’atmosphère terrestre.
45
SPECTRE DES RAYONS
COSMIQUES
plusieurs
joules /particule
(10-15m)
46
LHC
EXPÉRIENCE AUGER
(ARGENTINE)
47
48
vents stellaires
Enrichissement en métaux
Naissance des étoiles ,
nuages moléculaires
Mort des étoiles: supernovae
objets compacts: trous noirs, pulsars: jets, rayons cosmiques
49
3. UNE VUE D’ENSEMBLE DE NOTRE GALAXIE
50
ONDES RADIO
hydrogène atomique
408 MHz : rayonnement cosmique et champ magnétique
51
INFRA-ROUGE
télescope 1.3 m
mont Hopkins
Arizona
Poussières
52
observatoire de la Silla
(Chili)
LUMIÈRE VISIBLE
les étoiles
53
RAYONNEMENT X
le centre de la Galaxie vu par Chandra
sources compactes
au centre galactique
La galaxie en X vue par INTEGRAL.
54
RAYONNEMENT GAMMA
Sources du rayonnement
cosmique, zones moléculaires.
La Galaxie vue par Fermi
55
LES TRÈS HAUTES
ÉNERGIES
Experience HESS en Namibie
56
PAUSE
57
4. LE MILIEU INTERSTELLAIRE: LA POUPONNIÈRE
D’ÉTOILES
•  Le milieu interstellaire
•  La naissance des étoiles
58
LE MILIEU INTERSTELLAIRE: C’EST LE BAZAR !
/100
zoom x100
/100
zoom x100
illustration: simulation d’un cube de milieu interstellaire … on retrouve les mêmes structures
à plus petite échelle.
59
4. LE MILIEU INTERSTELLAIRE: LA POUPONNIÈRE
D’ÉTOILES
•  Le milieu interstellaire
•  La naissance des étoiles
60
LES NUAGES MOLÉCULAIRES
•  Les régions les plus froides du milieu interstellaire -263/-163 oC
•  La densité 100-1 million (coeurs denses) particules par cm cube (1021
air ambiant).
•  En effondrement gravitationnel: explosion d’étoile, vents (vie et mort
des étoiles)
nébuleuse de l’aigle (M16) par le
HST (distance 7000 a.l.)
3 a.l.
61
POINT TECHNIQUE 5: LA FORMATION DES ÉTOILES
Nota bene: effondrement des grandes échelles aux petites mais rétroaction des petites
échelles
sur
lesDEgrandes
(jets, rayonnement, rayons cosmiques ?).
SÉMINAIRE:
CYCLE
VIE DES ÉTOILES...
62
NÉBULEUSE D’ORION
63
5. UNE VIE D’ÉTOILE …
•  Etoiles de type solaire
•  Les étoiles massives
------------------------!  Structure interne
!  Atmosphère
!  Vents stellaires
64
UNE HISTOIRE D’ÉQUILIBRE …
•  Pourquoi une étoile est compacte ? GRAVITATION = effondrement.
•  Pourquoi une étoile est stable ? GRAVITATION = FORCE DE PRESSION
INTERNE.
froid
chaud
65
ENERGIE INTERNE
"  Fusion nucléaire ou nucléo-synthèse
la pression équilibre la gravitation.
l’étoile rayonne.
66
LES RÉACTIONS NUCLÉAIRES
•  2 types fusion et fission.
•  Fusion : noyaux légers => noyaux lourds
•  Fission: noyaux lourds => noyaux légers
•  Les étoiles sont des entités à fusion.
•  Les réactions nucléaires impliquent 2 forces:
•  Force nucléaire forte: cohésion des noyaux entre eux, radioactivité
alpha.
•  Force nucléaire faible: transmutation de nucléons en d’autres
nucléons (ex neutron/proton) : radioactivité béta.
67
POINT TECHNIQUE 6: STRUCTURE INTERNE I
•  Au centre de l’étoile la zone radiative cycles PP et CNO
cycle PP
cycle CNO
A chaque étape, les réactions de fusion produisent des
neutrinos, des particules et du rayonnement et de la chaleur
(E = Δm c2, réactions exo-thermiques)
Ces réactions sont prédites uniquement par la mécanique
quantique
parDEleVIEbiais
de l’effet tunnel.
SÉMINAIRE: CYCLE
DES ÉTOILES...
68
LA FUSION IMAGÉE
colle
69
POINT TECHNIQUE 6: STRUCTURE INTERNE I
•  Au centre de l’étoile la zone radiative cycles PP et CNO
cycle PP
cycle CNO
A chaque étape, les réactions de fusion produisent des
neutrinos, des particules et du rayonnement et de la chaleur
(E = Δm c2, réactions exo-thermiques)
Ces réactions sont prédites uniquement par la mécanique
quantique
parDEleVIEbiais
de l’effet tunnel.
SÉMINAIRE: CYCLE
DES ÉTOILES...
70
STRUCTURE INTERNE - 2
•  Zone convective: le rayonnement central chauffe les couches externes
qui remontent vers la surface
Le rayonnement a du mal à sortir, les photons sont constamment diffusés: temps de sortie:
plusieurs millions d’années
71
STRUCTURE INTERNE – 3
•  La photosphère et la couronne: les zones du rayonnement et du champ
magnétique.
photosphère: zone de dernière diffusion des photons (température 5000 degrés pour le soleil)
couronne: milieu ténu et chaud (millon de degrés)
72
L’ATMOSPHÈRE : LE RÈGNE
DU CHAMP MAGNÉTIQUE
illustration du champ
magnétique autour du
soleil
73
STRUCTURE INTERNE RÉSUMÉ
74
l
?
H.R. Russell
1877-1957
H.Vogt
1890-1968
75
LES DIFFÉRENTES CLASSES D’ÉTOILE: LE DIAGRAMME
DE HERTZSPRUNG-RUSSELL
E. Hertzsprung
(1873-1967)
0.08 Ms < M < 120 Ms
0.05 Ls < L < 900 000 Ls
0.02 Rs < R < 1100 Rs
76
77
LA NUCLÉOSYNTHÈSE DANS LES ÉTOILES
MASSIVES
•  Au delà du groupe CNO les éléments les plus lourds sont formés dans les
étoiles dont la masse > 8 masses solaires: plus de masse, gravitation plus
forte, températures plus élevées, plus d’énergie pour produire des
éléments plus lourds …
formation du Fer dans le cœur des étoiles massives
78
DURÉE DE VIE
•  La durée de vie d’une étoile est:
•  d’autant plus grande que sa réserve d’énergie est plus grande,!
•  d’autant plus petite que la production d’énergie est plus rapide.
durée de vie = réserve d’énergie/ Luminosité = M/L
et L = M3.5
Les étoiles massives = « James Dean » de l’astrophysique: Live fast die fast.
79
LES TEMPS DE FUSION
Température (K) étoile 0.3 MS étoile 1MS
(années)
(années)
fusion
hydrogène
15 millions
fusion hélium
100 millions
fusion carbone
800 milliards 10-12 milliards
200 millions
étoile 25 MS
(années)
7 millions
500 000
1 milliard
200
fusion néon
1.2 milliard
1
fusion oxygène
2 milliards
5 mois
fusion silicium
3 milliards
1 jour
80
LES COUCHES D’OIGNON DES ÉTOILES
MASSIVES
•  La procédure est la même pour les étoiles massives, sauf que comme elles ont
plus de masse, la gravitation peut être plus forte et les températures
atteintent au coeur plus élevées.
81
VENTS STELLAIRES
100-150 masses solaires à environ 8000 a.l.
étoile(s) géante(s) bleue(s) variable(s)
vitesse => 3000 km/s
eta carinae
Le soleil, vitesse=> 400-800 km/s
perte de masse annuelle 10-14
masse solaire/an soit 2 x 1013
tonnes/an ~1/100000 masse
terrestre.
forte rétroaction sur l’environnement
pertes de masse => 10-5masse solaire/an
82
6. MORT DES ÉTOILES
•  Etoiles du type solaire
•  Les étoiles massives: les supernovae, les sursauts gamma.
83
GÉANTE ROUGE: LA FIN DU SOLEIL
Course à l’énergie pour compenser la gravitation.
Production de Carbone et d’Oxygène à partir de
l’hélium à 100 millions de degrés => chaleur =>
pression => dilatation des couches externes de
l’étoile.
nébuleuse planétaire IC418 (HST)
84
LE CYCLE DU SOLEIL
85
MORT DES ÉTOILES MASSIVES : LES SUPERNOVAE
SN 1994D
86
PRÉ-SUPERNOVA
87
POINT TECHNIQUE 7: POURQUOI UNE TELLE
EXPLOSION ?
endothermique
<=
exothermique
=>
endothermique =>
exothermique <=
énergie de liaison suivant les éléments
88
les noyaux au delà du Fer sont (essentiellement) produits par capture de neutron (=> protons)
89
La couronne jaune, extérieure, d'une pièce d'un euro contient du nickel, du
cuivre et du zinc. La partie centrale ne contient que du cuivre et du nickel.
cred. Observatoire de Paris / U.F.E.
Il faut donc des étoiles massives pour battre la monnaie
90
LES RESTES DE SUPERNOVA
vue par Tycho Brahé en 1572
le reste Tycho vu par Chandra
en rayons X
ejecta: matière interne
de l’étoile
choc se propageant
à 3000 km/s
soit 1% de la vitesse
de la lumière
91
AUTRES VESTIGES
vestige de la supernova 1006
chandra + HST
SN apparue le 1 mai 1006
dans la constellation du loup.
Magnitude -9 au maximum soit
¼ de pleine lune.
92
cassiopeia A
objet compact: étoile à neutron
93
94
LE NÉBULEUSE DU CRABE
95
LES RESTES DE SUPERNOVA HISTORIQUES
SN historiques (Date) Rémanent Magnitude app. max Temps visible à l'oeil nu (mois)
185 (SN 185)
RCW 86
-8
20
393 (SN 393)
CTB 37A ou B 0
8
1006 (SN 1006)
PKS 1459-41 -9,5
>24
1054 (SN 1054)
3C 144
-5
22
1181 (SN 1181)
3C 58
0
6
1572 (SN 1572)
3C 10
-4
16
1604 (SN 1604)
3C 358
-3
12
Distance
environ 3 kpc ( 9 780 a.l.)
10,4±3,5 kpc ( 33 900 a.l.)
environ 1 kpc ( 3 260 a.l.)
2±0,1 kpc ( 6 520 a.l.)
2,6±0,5 kpc ( 8 480 a.l.
2,3±0,3 kpc ( 7 500 a.l.
environ 4,4 kpc ( 14 400 a.l.)
remarque: le taux de supernova dans notre galaxie est de 3/siècle.
Question où sont passées celles qui ont explosé depuis 1604 ????
96
RÔLE DES RESTES DE SUPERNOVA ET
NÉBULEUSES DE PULSAR
•  Régénerent la matière du milieu interstellaire en dispersant les
produits des étoiles dans le milieu interstellaire.
•  Accélèrent le rayonnement cosmique.
•  Initient la formation de nouvelles étoiles, contribuent au chauffage du
milieu environnant (chocs, rayons cosmiques ionisants, rayonnement X et
gamma).
97
LES RÉSIDUS COMPACTS
•  Naines blanches
•  Etoiles à neutrons
•  Trous noirs
98
POINT TECHNIQUE LES PULSARS
Etoiles à neutrons avec un fort champ magnétique = 1-1000 milliards de fois le
champ magnétique terrestre, en rotation rapide 100-1000 tours/seconde.
99
LES PULSARS
vent du pulsars
v=0.999999 vitesse de la lumière
vent relativiste
le pulsar du Crabe
observé par Chandra
100
101
102
vue d’artiste d’un trou noir absorbant la matière
d’une étoile compagnon : binaires X
TROUS NOIRS
jets relativistes
simulation numérique du rayonnement autour
d’un trou noir
103
7. COSMOLOGIE ET PREMIÈRES ÉTOILES
104
PREMIÈRES ÉTOILES: TRÈS MASSIVES ET À
COURTE VIE
•  Masses importantes (>100 masse solaires), forts rayonnement UltraViolet ionisant l’environnement, formation de trous noirs suite aux
supernovae qui accentuent l’ionisation…
simulation des premières étoiles 400 millions d’années après le Big Bang
105
8. RETOUR DANS NOTRE GALAXIE: LES ÉTOILES
ET L’APPARITION DE LA VIE
•  Nuages en effondrement souvent initié par l’explosion d’une
supernova: c’est vraisemblablement le cas pour le système solaire …
•  De l’équilibre entre le rayonnement, le champ magnétique, le gaz et
les rayons cosmiques => isole des zones de formation de
planétisimaux, notamment telluriques.
106
NÉBULEUSE D’ORION
images HST
vue d’artiste
107
LES ÉLÉMENTS APPORTÉS PAR LES
GÉNÉRATIONS PRÉCÉDENTES
108
EN GUISE DE CONCLUSION
(LE MEILLEUR POUR LA FIN)
LE COUPLAGE D’ÉCHELLE ET LA PHYSIQUE NONLINÉAIRE
109
•  Le cycle de la vie c’est:
•  un commencement oublié (Big Bang, premières étoiles …)
•  une mort programmée et nécessaire (enrichissement du milieu en éléments plus
lourds nécessaires à la complexité …)
•  Des échelles de taille, de temps et de distance qui permettent aux structures
(étoiles, dinosaures, fourmi, êtres humains) de se développer.
•  La procédure: couplage des échelles ou transfert d’énergie
•  Des grandes échelles vers les petites (univers=>galaxie=>étoiles=>planète)
•  Des petites échelles vers les grandes (nébuleuses planétaires, supernovae, trous
noirs et jets …, le réchauffement climatique …)
•  Le processus est non-linéaire: le transfert dans un sens influence le transfert dans
l’autre => équilibre instable => chaos.
•  L’étude de cet ensemble est complexe:
•  Intégration d’un grand nombre de processus et donc de spécialités (physique,
mathématiques, chimie, biologie)
•  Imprédéctabilité donc résultats statistiques …
110
ELÉMENTS BIBLIOGRAPHIQUES
•  http://chandra.harvard.edu/
•  http://fr.wikipedia.org/wiki/Étoile
•  http://fr.wikipedia.org/wiki/Nucléosynthèse_stellaire
•  http://www.eso.org/public/videos/
•  http://hubblesite.org/gallery/album/
•  http://www.canal-u.tv/video/universite_de_tous_les_savoirs/
milieu_interstellaire_naissance_et_mort_des_etoiles.1044
•  http://astronomia.fr
111
MERCI DE VOTRE ATTENTION ET À PONTAPONTES POUR VOTRE INVITATION
112

LE CYCLE DE VIE DES ÉTOILES DANS NOTRE GALAXIE

Transcription

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