Collisions Stellaires ou lorsque les étoiles se rencontrent. Pierre-Yves Blais, Avril 07

Collisions stellaires Que se passerait-il si une naine blanche entrait en collision avec le soleil? Ou un trou noir? Où peut-on observer de tels événements?

Collisions stellaires La pensée courante qui nous dicte que les étoiles ne rentrent jamais en collision est fausse; Collisions arrivent plus fréquemment qu’on ne le pense dans les amas d’étoiles et tout spécialement dans les amas globulaires; M13

Collisions stellaires James Jeans (1877-1946) calcula qu’aucune des 100+ milliard d’étoiles de notre galaxie n’est jamais entrée en collision avec une autre. Théorie ne s’applique pas aux endroits plus exotiques de notre galaxie.

Collisions stellaires Premier suspect découvert en 1963 est le Quasar avec luminosité=100,000 Millions d’étoiles Luminosité du Quasar varie en 1 jour ce qui supposerait une concentration de millions d’étoiles dans un volume égal au système solaire, donc les collisions d’étoiles seraient très probable En 1970, suspect identifié : Trou Noir

Collisions stellaires Satellite Uhuru (1970) identifia 100 sources de rayon X dont 10% situées dans les amas stellaires ou globulaires. Pourtant, les amas consistent en uniquement 0.01% des étoiles de la Voie Lactée.

Collisions stellaires Amas globulaires contiennent 1 Millions d’étoiles dans rayon de quelques douzaines d’années lumière; En comparaison, le voisinage solaire contient 100 étoile dans le même volume; Étoiles des amas voyagent à 16,000 km/h vs 40,000 km/h pour soleil; Probabilité de capture ou de collision plus élevées; 47 TUC

Mécanismes de collisions Surface effective des étoiles rend les collisions peu probables  Jack G. Hills et Carol A. Day, Université du Michigan ont démontré en 1975 que la probabilité de collision n’est pas seulement fonction de la surface effective des étoiles  Évaporation Focalisation gravitationnelle Capture par effet de marée

1. Évaporation stellaire Lors de la rencontre de 3-4 étoiles, l’énergie est redistribuée et une étoile est projetée en dehors de l’essaim ce qui cause un rapprochement des autres.

}+e Énergie Orbitale E+e E 1. De l’énergie est nécessaire pour atteindre des orbites plus élevées; 2. Une énergie plus faible implique une énergie plus basse; 3. Une énergie plus haute implique une orbite plus élevée;

1. Évaporation stellaire + Centre de gravité Énergie totale = E

1. Évaporation stellaire Énergie petite étoile = e Énergie étoiles restante = E - e + Énergie totale = E 1. Par effet de ‘slingshot’ gravitationnel, une étoile (la plus petite) est éjectée avec une énergie=e après une rencontre rapprochée avec plusieurs étoiles plus massive; 2. Principe de conservation de l’énergie exige que l’énergie des étoiles restantes doit diminuer de la même valeur=e car Énergie totale doit demeurer constante; 3. Les étoiles restantes se rapprochent (énergie plus basse = orbites plus basse);

Évaporation Eeau - corps = Toeau sur corps Évaporation gouttes d ’eau requiert énergie = eevap E restante= Eeau-corps – eevap E restante diminue; Toeau sur corps diminue; On gèle…

2. Focalisation gravitationnelle L’attraction mutuelle des étoiles augmente leur « surface effective de collisions »  en rapprochant leur trajectoires respectives.

2. Focalisation gravitationnelle - Probabilité de collision fonction de la dimension de l’étoile / la distance entre les étoiles

2. Focalisation gravitationnelle Surface Effective. Focalisation gravitationnelle augmente la surface « effective » de l’étoile en déviant la trajectoire des étoiles, donc augmente la probabilité de collision.

3. Capture par effet de marée Étoile à neutrons ou trou noir déforme l’étoile passant à proximité (effet de marée) provoquant ainsi une perte d’énergie forçant les deux astres à entrer en orbite. La perte continuelle d’énergie due à l’effet de marée va entraîner une collision éventuelle des deux corps.

3. Capture par effet de marée Énergie système E = Etn + Ee + emarée Trou noir Énergie totale du système = énergie du trou noir + énergie étoile En passant près du trou noir, l’effet de marée déforme l’étoile ce qui rajoute au système une énergie = emarée Conservation de l’énergie exige que l’énergie totale du système demeure constante, l’énergie de l’étoile et du trou noir doit donc diminuer proportionnellement;;

3. Capture par effet de marée Énergie système E = Etn + Ee + emarée Trou noir Énergie totale du système = énergie du trou noir + énergie étoile En passant près du trou noir, l’effet de marée déforme l’étoile ce qui rajoute au système une énergie = emarée Conservation de l’énergie exige que l’énergie totale du système demeure constante, l’énergie de l’étoile et du trou noir doit donc diminuer proportionnellement; 4. Énergie diminue=vitesse diminue, l’étoile se rapproche, ce qui entraîne sa capture par le trou noir; 5. Dû à l’effet de marée, chaque passage près du trou noir diminue la vitesse de l’étoile, l’étoile finit par s’effondrer sur le trou noir;

Scène de l’accident Que se passe-t-il lorsque deux étoiles entrent en collision? Fonction de: Vitesse relatives des étoiles; Paramètres d’impact (trajectoires); Types d’étoiles, densité etc.;

Scène de l’accident Super géante Géante Rouge Séquence principale Naine brune Naine blanche Étoile neutron Trou Noir Trou noir Trou noir + disque + naine blanche + disque Étoiles neutron Étoile neutron ou trou noir + disque + Étoile neutron ou trou noir Naine blanche + Naine blanche ou étoile à neutrons Séquence principale ou naine brune Séquence principale + naine blanche Géante rouge Super Géante

Scène de l’accident Super géante Géante Rouge Séquence principale Naine brune Naine blanche Étoile neutron Trou Noir Trou noir Trou noir + disque + naine blanche + disque Étoiles neutron Étoile neutron ou trou noir + disque + Étoile neutron ou trou noir Naine blanche + Naine blanche ou étoile à neutrons Séquence principale ou naine brune Séquence principale + naine blanche Géante rouge Super Géante

Scénario 1 : Collision Séquence principale – Séquence principale Étoile moins massive (plus dense) ressort moins affectée de l’impact; Onde de choc générée est insuffisante pour allumer des réactions nucléaire et éjecter les gaz de l’étoile plus dense; Une nouvelle étoile en rotation rapide émerge, résultante de la fusion des deux étoiles; Seulement une petite fraction des gaz est éjectée; http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/research/stellar_collisions/index.html http://haydenplanetarium.org/resources/ava/page/index.php?file=S0605stelcoll

Blue Stragglers (traînarde bleue) Masse: 1 Msol Durée Vie: 10 Milliard Années T= 5 Milliard Années Masse: 1 Msol Durée Vie: 10 Milliard Années T= 5 Milliard Années Masse: ~2 Msol Vie: 800 Million Années T= 5 Milliard Années

Blue Stragglers (traînarde bleue) Pour les trouver, on doit chercher dans des champs d’étoiles identiques: Amas globulaires dans lesquels les étoiles sont toutes nées à peu près en même temps (étoiles très anciennes); La formation de nouvelles étoiles est inexistante depuis quelques milliards d’années étant donné l’absence de gaz; On doit y chercher des géantes bleues près du centre de l’amas; Allan Sandage trouva en 1953 des étoiles bleus au centre d’amas globulaires;

Blue Stragglers

Blue Stragglers (traînarde bleue)

Blue Stragglers (traînarde bleue)

Blue Stragglers (traînarde bleue) 47 Tucanea - UV

Blue Stragglers (traînarde bleue) M 15 - UV

Scénario 2 : Collision Naine blanche – Séquence principale Naine blanche entre en collision à environ 600 km/s. Collision génère une onde de choc hypersonique qui réchauffe l’étoile entière au delà de la température de fusion; La naine blanche de densité + élevée (10Mx soleil) l’emporte; Étoile consume 100M années de combustible en 1h; L’onde de choc expulse les gaz de l’étoile à une vitesse beaucoup plus élevée que la vitesse d’échappement;

Scénario 2 : Collision Naine blanche – Séquence principale Énergie dégagée vaporise les océans sur terre; Étoile forme une nébuleuse gazeuse. Planètes ne sont plus retenues par la gravitation de l’étoile et s’enfoncent dans l’espace; Naine blanche ressort inaffectée de la rencontre; http://www.ukaff.ac.uk/movies.shtml Ref: UK Astrophysical Fluids Facility.

Scénario 3 : Collision Trou Noir – Séquence principale Étoile est complètement détruite en approchant trop près du trou noir; Gaz résiduels forment un disque d’accrétion; Exemple collision trou noir de 10 Msol et du soleil; http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/research/stellar_collisions/index.html

Scénario 4 : Collision Étoile Neutron – Étoile Neutron Étoiles perdent de l’énergie en émettant des ondes de gravitation en orbitant l’une autour de l’autre; Perte d’énergie entraîne un rapprochement des étoiles; La vitesse de rotation approche des valeurs relativistiques (~1/4 c); Lors du premier contact, la coalescence se complète en 5/1000 sec; http://www.ukaff.ac.uk/movies.shtml http://www.astro.ex.ac.uk/people/dprice/research/nsmag/ http://www.faculty.iu-bremen.de/srosswog/movies.html

Scénario 5 : Collision Trou Noir – Trou Noir Trou noirs perdent de l’énergie en émettant des ondes de gravitation ce qui cause leur rapprochement; Le contact se fait à la vitesse de la lumière. Imaginez plusieurs millions (milliard) de masse solaire qui se rencontrent à ces vitesses…; L’énergie dégagée lors de la coalescence surpasse de loin l’énergie dégagée par toutes les étoiles de l’univers;

Scénario 5 : Collision Trou Noir – Trou Noir L’énergie dégagée est sous forme d’ondes gravitationnelles; Ondes peuvent être émises pendant plusieurs semaines; Ondes changent la dimension d’un être humain d ’une fraction de la largeur d’un atome; Éventuellement détec- tables par LIGO;

Scénario 5 : Collision Trou Noir – Trou Noir http://www.aip.org/png/2006/256.htm http://chandra.harvard.edu/photo/2002/0192/animations.html Simulation 3-D réalisée sur super-ordinateur Columbia NASA Ames Research Center http://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/gwave.html

Scénario 5: Collision Trou Noir – Trou Noir NGC 1128 – Optique Scénario 5: Collision Trou Noir – Trou Noir

NGC 1128 – Rayon X NGC 1128 – Rayon X

NGC 1128 – Radio NGC 1128 – Radio

NGC 1128 – Rayon X, Radio - 25,000 AL de séparation

NGC 6240 – Rayon X, Radio - 3,000 AL de séparation

Merci!