Une machine à produire des supernovæ sur Terre

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Les supernovæ sont les restes (rémanents) d’événements les plus énergiques de l’univers, et les nébuleuses qui en résultent sont les préférées des astronomes. Pour mieux comprendre la physique qui se cache derrière, les chercheurs du Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) ont créé une « machine à supernovae ».

Image d’entête : une occasion d’admirer de beaux restent de supernovae. Ici, SN 1572 (ou Nova de Tycho) observé par le télescope spatial Chandra. (NASA)

Les étoiles sont essentiellement de grosses boules de gaz volatiles, maintenues pendant des millions d’années par un équilibre délicat. La gravité intense veut entraîner la matière vers le centre, tandis que la fusion nucléaire dans le noyau pousse en même temps vers l’extérieur. Le noyau finit inévitablement par manquer de combustible nucléaire, et la gravité gagne la bataille.

L’étoile s’effondre alors très rapidement vers l’intérieur, et l’onde de choc qui en résulte envoie la matière vers l’extérieur à des vitesses extrêmes. L’événement donne une supernova, le gaz et la matière tourbillonnants sont une nébuleuse, et l’objet dense formé au centre est une étoile à neutrons ou un trou noir.

Cassiopée A, le reste/ rémanent d’une supernova imagée par télescope spatial Spitzer. (NASA)

Et maintenant, les chercheurs de la Georgia Tech ont recréé ce processus en laboratoire. Leur « machine à supernova » est conçue pour étudier la physique des turbulences qui produisent quelques-unes des plus belles images que l’espace puisse offrir.

L’engin a la forme d’une tranche de pizza dont l’extrémité pointue est posée sur le sol, et mesure 1,8 m de haut et 1,2 m de large sur le dessus. Une fenêtre au centre révèle une chambre contenant des gaz de différentes densités : les plus lourds se déposent au fond, tandis que les plus légers flottent sur le dessus. Cette chambre imite les différentes couches de gaz à l’intérieur d’une étoile.

La machine à supernova ressemble à une pizza géante, mesurant 1,8 m de haut et 1,2 m de large au sommet. (Georgia Tech)

Pour déclencher la supernova elle-même, il y a une petite boîte au bas de la machine, contenant ce qu’on appelle le RDX (Research Department Explosive) et le PETN (pentaerythritol tetranitrate). Cela produit une explosion miniature contenue qui envoie des ondes de choc à travers la “tranche de pizza” et à travers le gaz, ce qui les fait se mélanger.

Les gaz sont éclairés par une lumière laser, ce qui permet à une caméra à grande vitesse d’observer ce qui se passe à l’échelle centimétrique. Et les résultats, tourbillonnants et désordonnés, sont très similaires à une supernova. Des piliers de gaz lourds sont poussés vers le haut à travers les couches plus légères, puis la chute de pression derrière l’onde étire les deux types de gaz vers le bas pour se mélanger plus intimement.

Un accéléré des gaz dans la supernova se mélangeant après avoir été frappée par l’onde de choc. (Georgia Tech)

Selon Ben Musci, premier auteur de l’étude :

L’une des choses les plus intéressantes que nous ayons vues est liée à un mystère concernant les supernovas : elles émettent un gaz de haute densité appelé « ejecta way out », qui pourrait aider à créer de nouvelles étoiles. Nous avons vu une partie de cet ejecta/ propulsion gazeuse dans l’appareil où le gaz lourd se propageait à l’extérieur dans le gaz léger.

Bien sûr, ce genre de machine ne peut capturer qu’un microcosme de la réalité. L’équipe a pris grand soin de tenir compte du rayonnement de fond, de la température et de la gravité de la Terre dans les résultats. De plus, la forme de la machine ne recrée qu’une tranche bidimensionnelle d’une supernova (normalement, bien sûr, une supernova se présente comme une boule tridimensionnelle en expansion).

Néanmoins, l’équipe affirme que la machine à supernova pourrait aider les astronomes à calculer la vitesse des gaz dans les nébuleuses et à déterminer avec plus de précision l’époque de leur naissance. Elle pourrait même fonctionner à l’envers, selon les chercheurs, pour aider au développement des réacteurs de fusion nucléaire.

L’étude publiée dans la revue Astrophysical Journal Letters : Supernova Hydrodynamics: A Lab-scale Study of the Blast-driven Instability Using High-speed Diagnostics et présentée sur le site du Georgia Tech : supernova-lab-mimics-cosmic-blasts-splendid-aftermath.