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Supernovas de Type II, Physique Nucléaire et mécanique quantique

Supernovas de Type II, Physique Nucléaire et mécanique quantique. Pierre-Yves Blais, Jan 07. Types de Supernovas. Type I

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Supernovas de Type II, Physique Nucléaire et mécanique quantique

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Presentation Transcript

  1. Supernovas de Type II,Physique Nucléaire et mécanique quantique Pierre-Yves Blais, Jan 07

  2. 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.

  3. Type Ia

  4. 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.

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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 +

  10. 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 + + + + +

  11. 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 + + + + + + + + + + + + +

  12. 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

  13. 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

  14. Expérience à tenter à la maison + = 100g H + 100g H = 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… 198.57g He

  15. 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

  16. Évolution versSuper Géante rouge Bételgeuse vue par Hubble

  17. Évolution versSuper Géante rouge Soleil Super géante VV Cephei B - 1600-1900 diamètre soleil

  18. 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)

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. 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.

  23. 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

  24. 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

  25. État final de l’étoile • 50% de la masse de l’étoile est concentrée dans le coeur

  26. 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?

  27. 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

  28. λ 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 λÉlectron: 2.4 x 10e-12 m λProton: 1.3 x 10e-15m Rayon électron: 10e-18 m Rayon proton: 0.8 x 10e-15m Électron: onde et particule

  29. Dimension relative des électrons vs protons Proton: Rayon proton: 0.8 x 10e-15 m Électron: Rayon électron: ~10e-18 m ~1 : 1000 λ = 2.4 x 10e-12 m λ = 1.3 x 10e-15 m ~1000 : 1

  30. 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

  31. Pression électronique de dégénérescence Électrons Pression de dégénérescence

  32. Matière dégénérée Électron Atomes Fer : Pour chaque atome de fer, il existe 26 électrons

  33. Matière dégénérée

  34. Matière dégénérée

  35. Matière dégénérée

  36. 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

  37. Écrasement coeur To = 7.1 milliard oC Fusion électron + proton : e - + p+ ↔ no + νe

  38. Écrasement coeur To = 7.1 milliard oC Fusion électron + proton : e - + p+ ↔ no + νe

  39. 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 νe νe Neutrino – 99% énergie de la supernova Neutrons Neutrons

  40. Écrasement coeur Étoile à neutrons Neutrons dégénérés

  41. 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

  42. 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

  43. Mécanisme de l’explosion

  44. Supernova SN1987A

  45. 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).

  46. 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.

  47. Tableau périodique des éléments Mendeleev 1834 - 1907 Russie

  48. 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.

  49. Après l’explosion… Étoile à neutron Trou noir 3 Mo > M > 1.44 Mo M > 3 Mo M : Masse résiduelle

  50. Supernova SN1987A • SN1987A: • Nébuleuse Tarentule • Nuage Magellan • 23 Février 1987 • Magnitude 3

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