Panorama de l astronomie



Documents pareils
La vie des étoiles. La vie des étoiles. Mardi 7 août

Vie et mort des étoiles. Céline Reylé Observatoire de Besançon

Panorama de l astronomie. 7. Spectroscopie et applications astrophysiques

a. La masse de Jeans b. Le support des nuages moléculaires -Séquence Principale (PMS)

Étude et modélisation des étoiles

Chapitre 6 : les groupements d'étoiles et l'espace interstellaire

Atelier : L énergie nucléaire en Astrophysique

Lycée français La Pérouse TS. L énergie nucléaire CH P6. Exos BAC

FORMATION ET FONCTIONNEMENT D'UNE ETOILE

nucléaire 11 > L astrophysique w Science des étoiles et du cosmos

Energie nucléaire. Quelques éléments de physique

Structure et Evolution des étoiles

Chapitre n 6 MASSE ET ÉNERGIE DES NOYAUX

Comprendre l Univers grâce aux messages de la lumière

C3. Produire de l électricité

Chapitre 5 : Noyaux, masse et énergie

Lycée Galilée Gennevilliers. chap. 6. JALLU Laurent. I. Introduction... 2 La source d énergie nucléaire... 2

POLY-PREPAS Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux. - Section Orthoptiste / stage i-prépa intensif -

Energie Nucléaire. Principes, Applications & Enjeux. 6 ème /2015

Rayonnements dans l univers

Chapitre 11: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

8/10/10. Les réactions nucléaires

Transformations nucléaires

A retenir : A Z m n. m noyau MASSE ET ÉNERGIE RÉACTIONS NUCLÉAIRES I) EQUIVALENCE MASSE-ÉNERGIE

Équivalence masse-énergie

a. Fusion et énergie de liaison des noyaux b. La barrière Coulombienne c. Effet tunnel & pic de Gamov

NUAGES INTERSTELLAIRES ET NEBULEUSES

I - Quelques propriétés des étoiles à neutrons

DM 10 : La fusion nucléaire, l énergie de l avenir? CORRECTION

FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE

Application à l astrophysique ACTIVITE

Chapitre 10 : Radioactivité et réactions nucléaires (chapitre 11 du livre)

Quelques liens entre. l'infiniment petit et l'infiniment grand

TD 9 Problème à deux corps

Le nouveau programme en quelques mots :

Professeur Eva PEBAY-PEYROULA

Comment dit-on qu'une étoile est plus vieille qu'une autre ou plus jeune qu'une autre?

5 >L énergie nucléaire: fusion et fission

Ondes gravitationnelles de basses fréquences et relativité

La physique nucléaire et ses applications

Voyage autour (et a l inte rieur) d un trou noir

Introduction à la physique nucléaire et aux réacteurs nucléaires

I. Introduction: L énergie consommée par les appareils de nos foyers est sous forme d énergie électrique, facilement transportable.

Principe et fonctionnement des bombes atomiques

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

Qu est-ce qui cause ces taches à la surface du Soleil?

Chapitre 6. Réactions nucléaires. 6.1 Généralités Définitions Lois de conservation

Compétence 3-1 S EXPRIMER A L ECRIT Fiche professeur

Le satellite Gaia en mission d exploration

La fusion nucléaire. Le confinement magnétique GYMNASE AUGUSTE PICCARD. Baillod Antoine 3M7 29/10/2012. Sous la direction de Laurent Locatelli

L ÉNERGIE C EST QUOI?

Correction ex feuille Etoiles-Spectres.

Chapitre 6 La lumière des étoiles Physique

Transformations nucléaires

A) Les réactions de fusion nucléaire dans les étoiles comme le Soleil.

Le Soleil. Structure, données astronomiques, insolation.

TS1 TS2 02/02/2010 Enseignement obligatoire. DST N 4 - Durée 3h30 - Calculatrice autorisée

INTRODUCTION À LA SPECTROSCOPIE

EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES

Séquence 9. Étudiez le chapitre 11 de physique des «Notions fondamentales» : Physique : Dispersion de la lumière

Chap 2 : Noyaux, masse, énergie.

par Alain Bonnier, D.Sc.

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Chapitre 9 : fusion nucléaire dans les étoiles et fusion nucléaire contrôlée

Celestia. 1. Introduction à Celestia (2/7) 1. Introduction à Celestia (1/7) Université du Temps Libre - 08 avril 2008

Les objets très lointains

A. Énergie nucléaire 1. Fission nucléaire 2. Fusion nucléaire 3. La centrale nucléaire

M6 MOMENT CINÉTIQUE D UN POINT MATÉRIEL

PROGRAMME DE PHYSIQUE - CHIMIE EN CLASSE DE SECONDE GÉNÉRALE ET TECHNOLOGIQUE

Gaz moléculaire et formation stellaire dans les galaxies proches : maintenant et à l'époque ALMA Jonathan Braine

Stabilité et Réactivité Nucléaire

C4: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

Historique. Les radiations nucléaires 1

THEME 2. LE SPORT CHAP 1. MESURER LA MATIERE: LA MOLE

PHYSIQUE Discipline fondamentale

Notre galaxie, la Voie lactée

LE CATALOGUE MESSIER

Groupe professionnel énergie de Centrale Nantes Intergroupe des centraliens de l énergie

Interactions des rayonnements avec la matière

SYSTEME DE PARTICULES. DYNAMIQUE DU SOLIDE (suite) Table des matières

La Fusion Nucléaire (Tokamak) Nicolas Carrard Jonathan Carrier Guillomet 12 novembre 2009

Production mondiale d énergie

Le monde fascinant des galaxies

TP 2: LES SPECTRES, MESSAGES DE LA LUMIERE

Simulations hydrodynamiques relativistes de la phase émission rémanente dans les GRB. Séminaire au L.U.Th, Observatoire de Paris

Activité 1 : Rayonnements et absorption par l'atmosphère - Correction

Les moyens d observations en astronomie & astrophysique

L énergie sous toutes ses formes : définitions

FICHE 1 Fiche à destination des enseignants 1S 16 Y a-t-il quelqu un pour sauver le principe de conservation de l énergie?

La place de l homme dans l univers. par Trinh Xuan Thuan *

Le pâle écho lumineux du Big Bang vu par le satellite Planck

PHY113 : Cours de Radioactivité

Stage : "Développer les compétences de la 5ème à la Terminale"

Niveau 2 nde THEME : L UNIVERS. Programme : BO spécial n 4 du 29/04/10 L UNIVERS

DIFFRACTion des ondes

À propos d ITER. 1- Principe de la fusion thermonucléaire

Si la source se rapproche alors v<0 Donc λ- λo <0. La longueur d onde perçue est donc plus petite que si la source était immobile

Renouvellement à 50000MW étalé sur 20 ans ( ) rythme de construction nucléaire: 2500MW/an

Les rayons cosmiques primaires chargés

P17- REACTIONS NUCLEAIRES

Transcription:

Panorama de l astronomie 7. Les étoiles : évolution et constitution des éléments chimiques Karl-Ludwig Klein, Observatoire de Paris Gaël Cessateur & Gilles Theureau, Lab Phys. & Chimie de l Environnement et de l Espace, Orléans Ludwig.klein@obspm.fr, Tél. 01 45 07 77 61 http://lpce.cnrs-orleans.fr/~theureau/panorama/panorama.html

Plan du cours Rappel étoile : sphère de gaz, source d énergie=fusion nucléaire Evolution : étapes de fusion nucléaire, modérées par la gravitation Etapes finales : naine blanche, supernova, étoile à neutrons (pulsar), trou noir Fabrication des éléments chimiques

La structure interne du Soleil Noyau : génération d énergie par fusion nucléaire; libération de photons gamma (+ neutrinos) Noyau : fusion 4p 4 He+γ Zone de transport radiatif Zone de transport convectif Transport d énergie (initialement gamma) vers la surface : Rayonnement (absorption-émission ) : zone radiative, r<0,7 R S Convection (montée bulles de gaz chaud, expansion et refroi-dissement, redescente gaz froid) : zone convective,

Pourquoi cette étoile est-elle stable? Equilibre entre la gravitation (concentration de la matière au centre) et la pression (dispersion de la matière) Noyau : fusion 4p 4 He+γ Zone de transport radiatif Zone de transport convectif La pression à l intérieur de l étoile: haute température / forte pression. Température initialement engendrée par la gravitation, puis maintenue par la fusion nucléaire.

Energie nucléaire et stabilité des étoiles Energie de liaison / nucléon [MeV] L énergie de liaison d un nucléon (neutron, proton) augmente avec le nombre de nucléons (jusqu à N=56, fer): gain d énergie par la fusion d éléments légers en plus lourds (jusqu au fer) Pour rendre la fusion possible, il faut Nombre de nucléons rapprocher les protons ou noyaux à haute vitesse (franchir barrière coulombienne) La fusion ne peut avoir lieu que dans un milieu chaud - d autant plus chaud que les noyaux sont lourds (donc plus chargés) La libération d énergie par fusion est possible tant que le coeur de l étoile est constitué d éléments plus légers que le fer.

Fusion nucléaire et évolution des étoiles L équilibre gravitation - pression est maintenu grâce à la fusion nucléaire au cœur de l étoile. Une période d existence (plus ou moins) stable de l étoile correspond à une étape précise de fusion. Par exemple: séquence principale = fusion de H en He. A l épuisement de l élément en fusion la fusion s arrête et le cœur de l étoile se refroidit. La pression diminue, est dominée par la gravitation: contraction ou effondrement du cœur de l étoile. Echauffement pouvant éventuellement aboutir à une nouvelle étape de fusion. Effet collatéral: constitution d éléments chimiques de plus en plus lourds.

L évolution des étoiles

Etoiles sur la séquence principale Etoiles sur la séquence principale Phase la plus longue de la vie d une étoile Fusion 4H He (cœur nucléaire; T > 10 7 K) Paramètres clef : masse & composition chimique Température, rayon Luminosité L M α (observation : α=3 4) Durée de vie : τ = W/L M/L M 1-α (Soleil : env 10 milliards d années) Luminosité Température

Etoiles sur la séquence principale Modèle de l intérieur solaire actuel (Bahcall et al., d après P. Lantos, Le Soleil en Face, Masson)

Départ de la séquence principale Fin de l étape de fusion H He : cœur nucléaire composée de He, T<< 10 8 K; entouré d un gaz n ayant pas participé à la fusion Pas de possibilité de fusion (T< 10 8 K) : refroidissement cœur, contraction (gravitation) Échauffement cœur & environs, démarrage fusion 4H He dans coquille autour du cœur inerte démarrage fusion He (en C, O) au cœur si T 10 8 K Luminosité Température

Départ de la séquence principale Après épuisement de l H : géante rouge Contraction du noyau inerte de 4 He. Démarrage 4H 4 He dans coquille entourant le noyau. Augmentation T dans les couches extérieures de l étoile expansion : l étoile devient «géante». 4 He 4H 4 He Augmentation de la surface et des pertes radiatives; T diminue à la surface, couleur rouge («géante rouge»).

Départ de la séquence principale: le Soleil devenant géante rouge Séquence principale Géantes rouges Migration vers le haut (augmentation de la luminosité) et la droite (diminution de la température) dans le diagramme Hertzsprung- Russell.

Ejection des couches externes: la «nébuleuse planétaire» Cliché télescope spatial Hubble Géante rouge : dilatation de l étoile sous l effet de la coquille de fusion d H Ejection partie extérieure de l enveloppe (faiblement maintenue, car F M/r2) : «nébuleuse planétaire» Nébuleuse (plus ou moins) sphérique, env. 10% de la masse de l étoile Expansion, quelques dizaines de km/s Résidu : noyau de l étoile, composé d éléments lourds (He, C, O, )

Ejection des couches externes: la «nébuleuse planétaire» Cliché télescope spatial Hubble: http://hubblesite.org/gallery/album/nebula/pr1997038b/ Expulsion de l enveloppe de l étoile Des couches internes chaudes deviennent visibles: Déplacement du spectre vers le bleu Forte émission UV, ionisation du gaz expulsé recombinaison et fluorescence: aspect multi-colore des nébuleuses planétaires

Après l étape de la géante rouge Séquence principale? Géantes rouges Migration vers la gauche (spectre devient de plus en plus bleu), contraction de l étoile résiduelle (donc finalement migration vers les faibles luminosités (vers le bas) du diagramme Hertzsprung-Russell.

Cycles d évolution stellaire Peut-on toujours aboutir à une nouvelle étape de fusion par la compression du cœur de l étoile? On pourrait penser que oui, si toute compression et augmentation de pression était associée à l augmentation de la température (loi de gaz parfait). Mais la physique atomique nous montre que ce n est pas le cas: on ne peut pas rapprocher sans limite les particules (atomes, noyaux). Exemple: occupation des couches électroniques d un atome. Lorsque la distance entre atomes devient trop petite, la pression augmente SANS augmentation de température: dégénérescence du gaz (similaire à l état du solide).

Les naines blanches Equilibre gravitation - pression de dégénérescence des électrons: compact <10 4 km, forte masse volumique chaud (couches externes éjectées) faible luminosité (petite surface) Noyau dégénéré (à peu près isotherme, T 10 7 K acquise avant dégénérescence) + mince couche extérieure où T décroit à qq 10 4 K Réservoir d énergie : énergie thermique du noyau Durée de vie ~ milliards d années Vitesses des électrons dégénérés < c: M<1,44 M S (masse limite de Chandrasekhar). Pas d équilibre pour les astres dépassant cette limite. Luminosité Naines blanches Température

Cycles d évolution stellaire Principe : l étoile peut libérer de l énergie nucléaire jusqu à ce que son noyau soit constitué de 56 Fe. Problème : pour fusionner des noyaux de plus en plus lourds, il faut des T de plus en plus élevées (seuil fusion / barrière Coulomb). Schématiquement : stabilité pendant phase de fusion, production de nouveaux éléments chimiques Refroidissement (-> baisse pression) et contraction (domination de la gravitation) après épuisement du «combustible», chauffage et nouveau cycle de fusion (éléments chimiques plus lourds) ou dégénérescence des électrons (facteur déterminant : M) Limites à la séquence compression/chauffage/fusion : (a) dégénérescence du gaz (d abord électrons) - la pression croît (donc la résistance à la gravitation) sans augmentation de la température (b) cœur stellaire constitué de fer.

Etapes finales d une étoile de forte masse Energie de liaison / nucléon [MeV] Si le cœur de l étoile est constitué de fer: fin du cycle de stabilisation par la fusion nucléaire (pas de libération d énergie par l assemblage de noyaux atomiques plus lourds) Domination de la gravitation: effondrement du noyau sans chauffage (sans augmentation de la pression du gaz parfait): chute libre. Les couches externes suivent; rebondissement sur cœur condensé; éjection + onde de choc supernova Nombre de nucléons

Le devenir des couches externes: supernovae Les couches externes chutent & s échauffent De la matière composée de noyaux atomiques légers fusionne de façon explosive. Génération d une onde de choc qui pousse la matière dans l espace interstellaire Augmentation soudaine surface de l astre, matière très chaude / brillante - l astre peut devenir visible pour la première fois : phénomène appelé «supernova»

Le devenir des couches externes: supernovae Télescope spatial Hubble, http://hubblesite.org/gallery/album/galaxy_collection/pr1999019a/

Le devenir des couches externes: supernovae 1984 Un exemple: SN 1987a 1987 http://www.aao.gov.au/images. html/general/aat.html 1984 : étoile avant l implosion 1987 : quelques jours après 1993 : anneau de matière éjectée 1993 http://hubblesite.org/gallery/album/ entire_collection/pr2004009d/

Le devenir des couches externes: supernovae La supernova 1987a en ondes radioélectriques : expansion de la coquille de matière. http://www.atnf.csiro.au/news/newsletter/feb07/page1.html

Le devenir des couches externes: supernovae La nébuleuse du Crabe (constellation Taureau) Enveloppe stellaire éjectée lors d une explosion de supernova en 1054 (récits chinois) Éjection dans l espace des éléments lourds, produits par la fusion au cours de l existence de l étoile

Le devenir du noyau d une étoile de forte masse Toujours : établissement d équilibre si pression arrête contraction gravitationnelle. Quelle pression? Etoiles de très forte masse : pression de dégénérescence des électrons ne suffit pas pour équilibrer la gravitation. Implosion du cœur stellaire. Création d un cœur très compact. Etoile à neutrons: les protons et électrons se transforment en neutrons (processus qui n a lieu que sous très forte pression). Stabilité gravitation - pression de dégénéresence des neutrons. Réactions nucléaires: Désintégration beta (laboratoire terrestre) Désintégration beta inverse (gaz très dense): Transformation de p en n Objet compact, rotation rapide!! n " p + e # + $ e n + e " # p + $ e

20 km La nébuleuse et le pulsar du Crabe (cliché Kitt Peak, NOAO) À droite: clichés du pulsar (étoile à neutrons), pose env. 1 ms (on voit l apparition et la disparition du pulsar, période env. 33 ms)

Le devenir du noyau d une étoile de forte masse Toujours : établissement d équilibre si pression arrête contraction gravitationnelle. Quelle pression? Etoiles de très forte masse : pression de dégénérescence des électrons ne suffit pas pour équilibrer la gravitation. Implosion du cœur stellaire. Création d un cœur très compact. Si pression de dégénéresence des neutrons ne suffit pas pour équilibrer la gravitation: trou noir - objet si compact que même la lumière ne s en échappe pas. Analogie: énergie mécanique d une masse m lancée contre la gravitation du corps de masse M W = m 2 " 2 # GmM = cte. r Si W<0: objet n atteint pas l infini (ne s échappe pas du corps M) Vitesse de libération: W au moins = 0! Si M/r grand: υ L =c (même la lumière ne s échappe plus) - trou noir! " L 2 = 2GM r

Résumé: évolution des étoiles Etoile à neutrons trou noir Nuage de gaz froid Supernova Etoile (fusion... -> Fe) Contraction (gravitation) Naine blanche Contraction Etoile (fusion H -> He) Naine brune

La constitution de la matière au cours de l évolution des étoiles

Energie nucléaire et fabrication des noyaux Energie de liaison / Nucléon [MeV] 56 Fe = noyau le plus stable; fin de libération d énergie par fusion nucléaire Nombre de nucléons H, He dans l Univers proviennent des premiers instants (univers chaud/ dense, «big bang»). Les étoiles construisent, par fusion nucléaire, les noyaux jusqu au fer (56 nucléons). Départ : hydrogène. Noyaux lourds = «cendres» de la fusion nucléaire.

Energie nucléaire et fabrication des noyaux Fusion de 4 He T>10 8 K : 3( 4 He) 12 C + γ («triple alpha») : 4 He + 4 He + 95 kev 8 Be 8 Be + 4 He 12 C + γ (7,27 MeV) (Be instable, donc rare dans les étoiles). T > 2 10 8 K : 12 C + 4 He 16 O + γ Etoile se compose de zones différents : - C, O (fusion au centre), - He (fusion coquille), - H (fusion coquille), - H (enveloppe inerte) C, O 4H 4 He 4 He C,O

Energie nucléaire et fabrication des noyaux De l hélium au fer Etoiles de forte masse (>(4-6) M S ): brèves périodes de fusion d éléments lourds, forte production de neutrinos 2 ( 12 C) 4 He, 20 Ne, 24 Mg (durée ~300 ans) 2 ( 16 O) 4 He, 28 Si, 32 S 2 ( 28 Si) 56 Ni 56 Fe (durée ~2 jours) Etoile constituée de différentes couches avec différentes compositions chimiques (voir exemple diapo précédente). Fin de la chaîne de libération d énergie par fusion lorsque noyau en 56 Fe Haute T (pour fusionner noyaux à forte charge) production de photons de très haute énergie Photo-désintégration des noyaux. Libération de neutrons. Collapse du cœur de l étoile, fusion explosive des noyaux légers restants, éjection des couches externes : supernova.

Les éléments chimiques: tableau de Mendeleïev

L origine des éléments plus lourds que le fer Big bang (A) + fusion stellaire (C) +??? (D) : d où viennent les éléments plus lourds que le Fe? http://www.cea.fr/jeunes/themes/ la_physique/l_astrophysique_nucleaire/

L origine des éléments plus lourds que le fer Noyaux lourds : jusqu à Z=92, A=238 Fusion : exo-énergétique jusqu à A=56 (Fe, Ni) Peut produire A>56, mais faible probabilité de réaction (faible «section efficace»), répulsion coulombienne, photo-dissociation Constat : noyaux lourds contiennent de plus en plus de n. Libérées dans les phases explosives finales de l évolution stellaire. Capture des neutrons par les noyaux de Fe; fabrication de noyaux lourds sans barrière coulombienne. Les noyaux atomiques naturels Alonso & Finn, Fundamental University Physics

L origine des éléments plus lourds que le fer Capture d un neutron par un noyau : (Z,A)+n (Z,A+1)+γ Rappel: n libre instable; mais de plus en plus de n libérés lors des étapes de fusion de noyaux lourds. Deux classes de processus de capture: s («slow») : (Z,A)+n (Z,A+1) (Z+1, A+1) +n flux modéré de n, processus peut opérer dans géantes rouges dès que des réactions nucléaires dégagent des n. Produit noyaux avec nombres comparables de p et n. r («rapid») : (Z,A)+n (Z,A+1) +n (Z, A+2) requiert flux intense de n; processus explosif (qq secondes) lors des SN? Produit isotopes riches en n.

L origine des éléments plus lourds que le fer http://en.wikipedia.org/wiki/ S-process Capture d un neutron lors d une faible irradiation neutronique, puis Série de captures de n (N N+1, Z=cte.) tant que l isotope formé est stable Désintégration β (N N-1, Z Z+1, A=cte.) quand isotope instable

Résumé: évolution des étoiles et formation des éléments chimiques Formation des étoiles : - contraction d un nuage froid, pourvu qu il soit suffisamment grand - chauffage, fragmentation, contraction des fragments - étoile (fusion H He) si T > 10 7 K - sinon : naine brune (fusion H 2 H), «planète» (dégénérescence) Evolution des étoiles : - séquence principale (fusion H, gros de la durée de vie), - fusions d éléments plus lourds ou naine blanche, - éjection des parties externes («enveloppe») - pour les étoiles de forte masse : supernova, étoile à neutrons, trou noir Formation des éléments chimiques : - à partir du H au noyau des étoiles - fusion jusqu à A=56 (Fe), réactions exoénergétiques - capture de neutrons pour A>56