Les objets compacts
Les différents types d'objets compacts
Les objets compacts se divisent en trois catégories: les naines blanches, les étoiles à neutrons et les trous noirs (stellaires et supermassifs). Ce sont des résidus de l'évolution des étoiles normales sauf pour les trous noirs supermassifs. Les naines blanches sont les moins compactes et les trous noirs les plus compacts. "Compact" fait référence à la capcité de ces objets de déformer l'espace-temps autour d'eux.
-Première image de Sagittarius A*, le trou noir supermassif (~4 x 10⁶ masses solaires) au centre de la Voie lactée. Bien qu’il ne soit pas possible de voir le trou noir lui-même car il est complètement sombre, on observe la matière autour de l'horizon des événements. Cette image a été capturée par l'Event Horizon Telescope à partir des observations d'un réseau mondial de téléscopes qui ont été assemblées numériquement.
-Vue artistique d'une naine blanche. ©Astronomie pratique
-Vue artistique d'une étoile à neutron.©Futura-science
L'origine des objets compacts
Origine des trous noirs
Un trou noir de masse stellaire est créé après la mort d'une étoile très massive (à partir d'environ 30 fois la masse du Soleil). Le noyau de l'étoile s'effondre sur lui-même. Toute la matière se concentre derrière une limite appelée horizon des événements qui sépare ce que l'on peut voir de ce que l'on ne peut pas voir. La masse d'un trou noir stellaire peut varier de 3 à 100 masses solaires. Le résidu laissé est tellement dense que même la lumière qui y rentre ne peut s'en échapper. Il existe aussi des trous noirs supermassifs, bien plus grands, dont la masse est de l'ordre de 1 million à 10 milliards de masses solaires et se situant aux centres des galaxies, mais dont on ne connaît pas l'origine.
Origine des naines blanches
Lors de la formation d'une naine blanche, l'atmosphère de l'étoile en fin de vie se dilue lentement dans l'espace, tandis que son noyau continue de se comprimer. Elles sont issues de l'évolution d'étoiles de moins de dix fois la masse du Soleil. L'étoile se forme à partir d'un grand nuage d'hydrogène et de poussières. À cause de la gravité, l'hydrogène forme un noyau qui se contracte et chauffe puis se dilate et se refroidit, jusqu'à se recontracter, et ainsi de suite jusqu'à se stabiliser. Lorsque la température dans le coeur de l'étoile est suffisamment grande les réactions thermo-nucléaires de fusion de l'hydrogène peuvent commencer. Les noyaux d'hydrogène vont fusionner entre eux pour former des noyaux d'hélium et cela va dégager de l'énergie qui va servir à contre-balancer la gravité et stabiliser l'étoile. Le même phènomène va ensuite se reproduire avec l'hélium pendant quelques siècles, puis le noyau va se transformer en carbone et en oxygène. Ce type d'étoile ne pouvant rien faire de ces derniers, la transformation va alors s'arrêter et le noyau va se comprimer jusqu'à former une naine blanche.
Origine des étoiles à neutrons
Les étoiles à neutrons se forment à la suite de l'effondrement du noyau des étoiles ayant une masse trop grande pour se transformer en naine blanche mais trop petite pour donner naissance à un trou noir. Pour ces étoiles, la fusion des noyaux est possible jusqu'à obtenir du fer. En effet, l'étoile n'est alors plus capable de transformer ce fer. Les éléctrons au centre de l'étoile compressés entre eux vont ensuite fusionner avec les protons pour former des neutrons. Le noyau de fer s'effondre en une fraction de seconde pour former une étoile à neutrons et l'enveloppe de l'étoile va ensuite être soufflé créant une supernova. Après l'explosion de supernova, l'étoile laisse derrière elle une étoile à neutrons, un résidu très dense entourée d'une immense structure de matière (liée à l'explosion).
Composition des objets compacts
Où trouver un trou noir ? :
Étant donné qu'un trou noir n'émet pas de lumière, nous ne sommes pas capables d'observer ce qui se passe au delà de l'horizon des événements. Les seules informations que nous pouvons déduire d'un trou noir sont sa masse et la vitesse à laquelle il tourne (son spin). Les recherches sur les trous noirs portent sur la manière dont il influence son environnement (i.e. à l'intérieur d'une galaxie, à l'échelle de la galaxie et parfois même à celle d'un amas de galaxies pour les trous noirs supermassifs). La masse d'un trou noir stellaire varie généralement de 3 à 100 masses solaires.
Composition d'une étoile à neutrons :
-Un modèle possible de l'intérieur d'une étoile à neutrons.© Wattcle, cc by SA 4.0
Une étoile à neutrons est composée de plusieurs couches de matière riche en neutrons, de plus en plus dense au fur et à mesure que l'on se rapproche du centre. En revanche, on ne sait pas de quoi est fait le noyau, mais l'hypothèse est émise que cela pourrait être une nouvelle forme de matière. La masse maximale qu'une étoile à neutrons peut obtenir s'appelle la limite d'Oppenheimer-Volkoff et est d'environ de 2 à 3 masses solaires. Au-delà de cette valeur, l'objet s'effondre alors en trou noir. Son diamètre est de l'ordre de 10 à 20 kilomètres.
Composition d'une naine blanche:
-Structure interne d'une naine blanche. ©Astrosurf
Les naines blanches sont constituées de carbone et d'oxygène entourés d'une fine atmosphère d'hydrogène et d'hélium. Le diamètre moyen d'une naine blanche est de l'ordre de 10 000 kilomètres, soit une taille similaire à celle de la Terre mais avec 60% de la masse du Soleil. La masse maximale qu'une naine blanche peut atteindre est appelée masse de Chandrasekhar et correspond à 1,4 masses solaires. Par conséquent, notre Soleil va devenir une naine blanche d'ici 4 milliards d'années.
Pourquoi les chercheurs s'intéressent-ils aux objets compacts ?
On peut étudier les objets compacts pour mieux connaître leur structure, leur évolution ou encore pour l'effet qu'ils exercent sur leurs environnements. En effet, l'accrétion par un objet compact de matière en provenance d'une étoile peut donner lieu à une grande variété de phénomènes intéréssants à étudier : la formation d'un disque d'accrétion, des instabilités thermiques ou dynamique, la production d'un jet de particules, des sursauts gamma... De plus, ces objets compacts se situent à plusieurs années-lumière de nous, ce que l'on observe s'est donc passé à des millions voire des milliards d'années, et nous permet d'en savoir plus sur le passé de l'univers et sur sa formation.